Особенности экспериментальных исследований

Объекты исследований по любому из направлений прикладных исследований, как правило, сложны и связаны со значительным количеством как управляемых, так и неуправляемых (независимых) факторов. На параметры их состояния могут существенно влиять элементы случайностей, имеющих сложную природу происхождения. Для установления закономерностей функционирования этих объектов в реальных условиях одних теоретических исследований недостаточно, так как аналитически описать изучаемый объект с достаточной точностью не всегда представляется возможным. Такие объекты характерны практически всем направлениям прикладных исследований, как в технологии, так и в технике и в области естественных наук.

Экспериментальные данные могут быть использованы для проверки и уточнения рабочих гипотез, а также обоснования направления исследований в соответствующей области. Эффективность исследований в целом повышается, если теоретические предпосылки уточняются опытным путем, а экспериментальные данные анализируются и обобщаются на базе теоретических положений соответствующих отраслей наук.

Эксперимент - это метод исследования, состоящий в целенаправленном воздействии на объект в заданных контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом его проведения с точным фиксированием значений заранее намеченных параметров исследуемого объекта с требуемой надежностью и точностью и воссоздать его каждый раз по мере необходимости при повторении тех же условий его проведения. При этом как условия, так и параметры исследуемого объекта (параметры рабочих органов машин и оборудования, отдельных операций технологических процессов, характеристики явлений и т.д.) могут меняться в заранее заданных интервалах варьирования.

При проведении эксперимента исследователь прибегает к другим (более простым) методам исследования:

- наблюдению, основанному на целенаправленном восприятии явлений (причем исследователю на основе имеющихся у него знаний известно, что и как наблюдать);

- описанию, основанному на фиксации сведений, полученных на основе наблюдения;

- измерению, заключающемуся в сравнении объектов по каким-либо сходным свойствам, признакам с эталоном и установлении количественных характеристик.

Основной задачей любого эксперимента является не только получение неизвестных ранее сведений об объекте исследования, но и достоверное установление закономерностей его поведения в изменяющихся условиях, совпадающих с условиями его функционирования в природе, технике, общественной жизни и т.д. С помощью эксперимента могут быть получены данные, обработка которых позволит получить математические модели, достоверно описывающие изучаемый объект, вскрыть закономерности его поведения в изменяющихся условиях, т.е. решить задачу идентификации.

В зависимости от особенностей объекта и поставленных целей экспериментальные исследования могут проводится в различных условиях. При этом различают лабораторные, лабораторно-полевые, заводские и т.д.

Для получения надежных и достоверных результатов экспериментальных исследований необходимо осуществить:

- анализ характеристик исследуемого объекта во всем многообразии свойств, предусмотренных целью проведения исследования, на основе имеющихся сведений, полученных другими исследователями и опубликованных в источниках информации;

- разработку программы экспериментальных исследований;

- обоснование выбора количественных параметров (критериев или измеряемых величин) оценки свойств объекта, выбрать их размерности и способы измерения в ходе эксперимента;

- определение всех факторов, влияющих на выбранные на основе поисковых исследований (если в этом есть необходимость) для наблюдения параметры рассматриваемого объекта в условиях протекания изучаемых явлений и процессов;

- рассмотрение причинно-следственных связей между параметрами оценки свойств объекта и выявленными факторами;

- ранжирование факторов по степени их влияния на параметры (критерии) оценки свойств объекта и выделение из них основных (доминирующих);

- определение рациональных интервалов варьирования выделенных факторов для установления соответствующих закономерностей, предусмотренных программой исследований;

- фиксирование остальных факторов на определенных (возможно, лучших) уровнях варьирования;

- разработка конструктивно-технологических схем опытно-экспериментальных установок или стендов, обеспечивающих реализацию намеченной программы исследований;

- изучение возможностей моделирования объекта;

- подбор соответствующей существующей или разработка новой измерительной аппаратуры, фиксирующей во время проведения экспериментов измеряемые величины через исполнительные органы (датчики, усилители, компьютеры и т.д.);

- разработка методики тарировки выбранных средств измерения, их установки для надежного измерения или регистрации контролируемых величин;

- разработка методики обработки первичной документации, в том числе журналов наблюдений, протоколов или актов исследований, с обеспечением требований надежности, точности и достоверности результатов эксперимента.

В ходе обработки результатов эксперимента устанавливаются закономерности исследуемых явлений и процессов, происходящих с участием изучаемого объекта, которые позволяют получить достоверный ответ на интересующие исследователя задачи и вопросы. Для иллюстрации установленных закономерностей принято использовать таблицы, диаграммы, графики, математические модели и др.

При исследовании сложных систем часто возникают ситуации, когда однозначно нельзя выделить и изолированно изучить отдельные явления или процессы. В этом случае в экспериментальном исследовании объекта используют построение математических моделей, которые с соответствующей степенью достоверности описывают реальный изучаемый объект. При этом точное понятие «закон» или «закономерность» заменяется более приблизительным и абстрактным понятием «модель», которое носит элемент многозначности и какой-то неопределенности, однако практически более понятный и удобный в применении. Безусловно, здесь нет противоречий, если эта модель описывает объект исследований с требуемой надежностью и точностью оценочных параметров. Как и в случае теоретических исследований, при построении моделей в эксперименте одни и те же системы и процессы могут быть описаны разными моделями и с различной точностью – в зависимости от конкретных условий.

Иногда при обработке данных эксперимента ставится задача оптимизации параметров объекта по каким-то количественным или качественным критериям. С этой целью применяются известные методики, соответствующая программа и технические средства обработки данных. Достоверность того, что параметры оптимизации действительно позволяют оптимизировать свойство объекта, должна быть подтверждена прямым экспериментом, условия проведения которого соответствуют оптимизированным параметрам. Лишь в этом случае можно говорить о достоверности полученных практических выводов и рекомендаций.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные направления в теории планирования экспериментов.

2. В чем состоит задача экспериментатора по поиску математической модели?

3. Какой априорной информацией может обладать экспериментатор, приступая к поиску математической модели?

4. Какой эксперимент называется регрессионным?

5. Какими свойствами должны обладать оценки параметров разрабатываемых моделей?

6. Что понимается под экспериментом?