Основы научных исследований и
Основы научных исследований и
Проектирования
Методические указания
к лабораторным занятиям студентов всех форм обучения
специальности 240403.62 - Химическая технология природных
энергоносителей и углеродных материалов
Тюмень
ТюмГНГУ
Утверждено редакционно-издательским советом
Тюменского государственного нефтегазового университета
Составители: доцент, к.х.н .Свинтицких Л.Е.,
доцент, Рычков Д.А.
Ó Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2011
Содержание
Введение. 4
Общие сведения.. 5
Схема формирования научного знания. 5
Наблюдение и эксперимент. 5
Планирование эксперимента и обработка результатов. 6
Статистическая обработка результатов эксперимента 7
Лабораторная работа №1: «Оценка ошибок измерений». 7
Лабораторная работа №2: «Оценка достоверности результатов измерений (отбрасывание малоправдоподобных данных)». 10
Лабораторная работа №3: «Регрессионный анализ». 14
Планирование эксперимента.. 17
3.1. Лабораторная работа №4: ««Классическое планирование однофакторного эксперимента». 17
3.2. Лабораторная работа №5: «Классическое планирование двухфакторного (многофакторного) эксперимента». 20
Лабораторная работа №6: «Математическое. 23
планирование эксперимента». 23
Приложение №1. 30
Приложение №2. 31
Приложение №3. 32
Приложение 4. 33
Литература.. 34
Введение.
Целью выполнения цикла работ по курсу «Основы научных исследований» является приобретение студентами навыков выполнения научно-исследовательских работ.
Современный специалист должен быть подготовлен так, чтобы всегда быть готовым идти в ногу с прогрессом науки и техники. Современное производство требует от специалиста умения самостоятельно ставить и решать принципиально новые задачи и в своей практической деятельности в той или иной форме проводить исследования, творчески используя достижения науки.
При разработке настоящих указаний учитывалось то обстоятельство, ч то умение составлять план – программу исследования, обосновывать методы обработки и анализа экспериментальных данных является необходимым элементом выполнения научно-исследовательских работ и спецзаданий, выполняемых во время практики и в процессе работы над дипломной работой (проектом).
Эксперименту принадлежит определяющая роль при разработке и создании новых технологий. В зависимости от того, на каком уровне проведен эксперимент, по какой методике и с какой точностью, будет зависеть надежность и долговечность создаваемых технических объектов.
В методических указаниях даны в общем виде основы математического планирования эксперимента для решения вопросов оптимизации составов и технологических процессов.
Работы выполняются по индивидуальным заданиям. Индивидуальными заданиями могут служить:
- материалы, собранные студентами во время практики;
- результаты научно-исследовательских работ;
- результаты измерений, выполненные во время лабораторных работ по другим дисциплинам.
Все лабораторные выполняются и оформляются в одной тетради. Работа считается оконченной и засчитывается, если дана достаточно грамотная интерпретация результатов и получен верный результат вычислений.
Выполненные работы вместе с конспектом лекций предъявляются при сдаче зачета.
Общие сведения
Наблюдение и эксперимент
Научное наблюдение – это целенаправленное восприятие явлений и предметов окружающего мира, осуществляемое с целью их познания.
Эксперимент – метод познания, при помощи которого явления действительности исследуются в контролируемых и управляемых условиях. Он отличается от наблюдения вмешательством в исследуемый объект.
Основная цель эксперимента – проверка теоретических положений, а также более широкое и глубокое изучение темы научного исследования. В процессе эксперимента ученый накапливает экспериментальные факты, которые и являются главной опорой, фундаментом науки.
Экспериментальные факты оказываются исходными при создании гипотез, построении теорий и конструировании экспериментальных установок.
Планирование эксперимента и обработка результатов
Эксперимент является одним из основных методов познания и складывается из нескольких этапов: 1) планирование эксперимента; 2) этап проведения эксперимента и получение опытных данных; 3) этап обработки опытных данных, или заключительный.
Для планирования эксперимента разработаны следующие типы планов:
- классический план;
-рандомизированный план;
- метод математического планирования эксперимента.
Каждый из этих планов эксперимента имеет свои достоинства и недостатки и выбирается исследователем, исходя из цели своего исследования.
Экспериментальные факты, получаемые в процессе эксперимента и наблюдения, должны быть достоверными, воспроизводимыми и соответствовать истинному значению измеряемой величины.
С этой целью результаты экспериментальных исследований подвергаются обработке с помощью методов математической статистики, регрессионного, дисперсионного анализа и др.
Задачей каждого измерения является получение результата и оценка его точности. Абсолютно точно невозможно выполнить никакое измерение из-за ошибок, неизбежных при операциях измерения.
Типы ошибок
Ошибки измерений можно подразделить на систематические, случайные и грубые промахи. Систематическими называются ошибки, величину которых можно установить и затем внести соответствующее исправление в результат.
Примером источников систематических ошибок являются неправильные весы или плохо градуированные приборы; наличие примесей в стандартном веществе.
Случайными ошибками являются беспорядочные отклонения изменяемых значений от истинного значения. Величина случайной ошибки различна для измерений, выполненных одним и тем же методом. Случайные ошибки возникают вследствие как объективных, так и субъективных причин. Источником ошибок может быть колебание воздуха, влияние солнечных лучей, изменение влажности, замена инструмента, замена наблюдателя и т. д.
Учесть все причины невозможно. Случайные ошибки делают неточным результат измерения. Исключить случайные ошибки нельзя, но оценить их можно. Они подчиняются законам теории вероятности, установленным для случайных явлений. В соответствии с законом теории вероятности была разработана теория случайных ошибок. Она позволяет вычислить наиболее вероятные значения определяемых величин и возможные отклонения от этих значений. Грубые промахи - возникают при недостатке внимания экспериментатора (неточное взвешивание, неправильная запись и т.п.).
Помимо статистических методов при обработке результатов применяют графические и математические методы для вывода из экспериментальных данных эмпирических формул.
Таким образом, в структуру эмпирического исследования, помимо чистого эксперимента входят логико-математические операции.
Планирование эксперимента
3.1. Лабораторная работа №4: ««Классическое планирование однофакторного эксперимента»
1. Теоретическая часть
Эксперимент - научно-поставленный опыт в точно контролируемых условиях.
Основная цель эксперимента проверка и подтверждение гипотезы.
Прежде, чем приступить к работе выдвигается рабочая гипотеза;
-определяется цель исследования.
-задачи исследования.
Эксперимент осуществляется в соответствии с планом.
Типы планов:
1.Класический план.
2.Рандомизированный план.
3.Математическое планирование.
В процессе исследования экспериментатор выясняет зависимость определенного признака (свойства) от других переменных или факторов. Например, зависимость октанового числа топлива от количества антидетонационной присадки и т.п.
Пусть интересующее нас свойство (y) объекта зависит от нескольких (n) независимых переменных (x1,x2...xn)
y-свойство (признак) изучаемое в исследовании.
x1,x2...xn (xi)- факторы, переменные, влияющие на изучаемое свойство.
n-количество переменных
Итак, мы хотим выяснить характер этой зависимости, о которой мы имеем лишь общее представление, т.е. y=f(x1,x2...xn)-эта зависимость называется «функция отклика».
Функция цели (y) - может зависеть от одного или нескольких факторов.
В зависимости от этого эксперимент бывает: однофакторным или двух (много) факторным.
y=f(x) – однофакторный эксперимент
y=f(x1,x2...xn) – одно(много)факторный эксперимент.
2. Классическое планирование однофакторного эксперимента
Классический план называют также последовательным, т.к. в ходе эксперимента последовательно изменяют величину варьируемого фактора в заданных пределах.
Порядок планирования:
1. Устанавливают верхнее или нижнее значение фактора, т.е. один из его предельных уровней (xmin,xmax)
2. Назначают интервал варьирования(∆x)
3. Составляют план-матрицу эксперимента. Определяют последовательность проведения опытов, причем в каждом последующем опыте изменяют значения фактора на величину согласно принятому интервалу варьирования.
4. Проводят эксперимент.
5. Заполняют рабочий журнал.
6. Проводят обработку результатов эксперимента, используя статистические, графические и математические методы.
Пример:
Тема: изучение детонационной стойкости бензина в присутствии антидетонаторов нового типа.
Рабочая гипотеза:
Марганцевые антидетонаторы (МА) в 300 раз менее токсичны, чем ТЭС; хорошо растворимые в бензине; практически не растворимы в воде.
Возможность замены ими ТЭС, если эффективность не ниже, чем у свинцовых.
Цель: Изучение влияния антидетонационной присадки (МА) на изменение октанового числа крекинг-бензина прямой перегонки.
Задачи:
1.Изучить зависимость ОЧ от количества добавляемой присадки (г/кг).
2.Определить оптимальные количество добавки МА.
Основные характеристики:
y – октановое число (ОЧ) функция цели.
x - марганцевый антидетонатор (МА – фактор варьируем)
Нижний уровень фактора –( xmin)=0,5 г/кг
Интервал варьирования – ∆x=0,5 г/кг
Верхний уровень фактора – (xmax)=3,5 г/кг
Составим план матрицу эксперимента.
Таблица 3.1
| № опыта | X | Y | Y* |
| МА,% | ОЧ, мм | ОЧ, мм | |
| - 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 |
Y*-заполняется после эксперимента.
Проводим эксперимент
а). подбираем материалы и оборудование .
б). описываем подробно ход эксперимента.
Заполняем таблицу.
Строим график зависимости ОЧàf(MAD). yàf(x)
Рис.3.1. График зависимости октанового числа (ОЧ) от
количества МАД
Как видно из графика, зависимость может быть описана уравнением:
Y=axb
После подбора коэффициентов методом выравнивания получаем математическое выражение искомой зависимости y=73x0.12.
3.2. Лабораторная работа №5: «Классическое планирование двухфакторного (многофакторного) эксперимента»
1. Порядок планирования
1.Устанавливают значение обоих факторов на определенном уровне.
2.Один фактор фиксируют x2 на принятом уровне, для второго фактора (x1) назначают интервал варьирования ∆x.
3.Составляют план эксперимента, в котором изменяют скачками один фактор в соответствии с принятым интервалом варьирования, а другой фактор остается неизменным.
4.Проводят серию опытов. В результате получают функцию цели в зависимости от одной переменной при постоянном уровне второй, т.е. y=f(x1) при x2=const.
5.Фиксируют первый фактор x1=const, а второй - x2 меняют в соответствии с принятым интервалом варьирования.
6.Проводят вторую серию опытов и в результате получают значение функции цели в зависимости от второго фактора при постоянном уровне первого, т.е. y=f(x2) при x1=const.
Таким образом, классический план двухфакторного( многофакторного) эксперимента. является суммой последовательных однофакторных экспериментов.
Классический план двух(много)факторного эксперимента может быть:
а)частичным.
б)полным.
Частичным называется тогда, когда проводится только две серии опытов.
В каждой серии фактор стабилизируют только на одном уровне
По результатам эксперимента можно построить графическую иллюстрацию для функции цели всего из двух кривых.
|
y1=f(x1)приx2=cost
y2=f(x2) при x1=const
|
Полный план.
В случае полного плана каждый фактор стабилизируют на всех уровнях.
По результатам можно построить два графика зависимости с пятью кривыми
|
|
| |||
|
Полный классический план может осуществляться только для воспроизводимых экспериментов. Классические планы эксперимента являются наиболее популярными
Пример:
Тема: оптимизация процесса получения бензиновой фракции при каталитическом крекинге гудрона.
Цель: изучить влияние температуры (Т,С) и давления(Р) на выход бензиновой фракции.
Задачи:
1.Определить зависимость выхода бензина от температуры.
2.Определить зависимость выхода бензина от давления.
3.Определить оптимальные параметры процесса.
Основные характеристики:
Y-выход бензина, % масс.;
X1-температура Т; от 450ᵒ до 530ᵒ ((∆x1=200С);
X2-давление, МПа; от 0,06 до 0,14 (∆x2=0.02 МПа)
Составляем план-матрицу эксперимента.
Планируем опыты №1 - №5 при постоянном уровне фактора Х2= 0,10 Мпа , при этом фактор Х1 меняем в каждом опыте с принятым интервалом варьирования = 200С. ( I серия опытов).
II серия опытов планируется при постоянном уровне фактора Х1=4900С, фактор Х2 меняем с принятым для него интервалом варьирования =0,02Мпа.
Проводим эксперимент в соответствии с разработанным планом. Результаты заносим в таблицу.
Таблица 3.2
План-матрица эксперимента
| N опыта | X1 | X2 | Y |
| T,ᵒc | P,МПа | Б,% | |
 5 | 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 |
По результатам эксперимента строим графики зависимостей
1. Y=f(T,ᵒc) при P=0.10 МПа
2.Y=f(P) при T=490°С
Рис.3.2. График зависимости.y=f(Tᵒ)
Рис.3.3. График зависимости выхода бензина от давления. Y=a+bx
Для каждого полученного графика определяется вид кривой, определяются её параметры и устанавливаются математические модели изучаемого процесса.
Приложение №1.
t-значения распределения Стьюдента.
| Число степеней свободы (N-1) | Доверительные уровни (надежность) | ||
| 90% | 95% | 99% | |
| 6,314 2,920 2,353 2,132 2,015 1,943 1,895 1,860 1,833 1,812 1,796 1,782 1,771 1,761 1,753 1,725 1,708 1,697 | 12,706 4,303 3,182 2,776 2,571 2,447 2,365 2,306 2,262 2,228 2,201 2,170 2,160 2,145 2,131 2,086 2,060 2,042 | 63,657 9,925 5,841 4,604 4,032 3,707 3,499 3,355 3,250 3,169 3,106 3,055 3,012 2,977 2,947 2,845 2,787 2,750 |
Приложение №2.
Варианты заданий к лабораторной работе №1.
| № п/п |  |  |  |  |  |  |  |
| 25,6 | 25,8 | 25,4 | 25,0 | 25,3 | 26,8 | 25,7 | |
| 12,5 | 13,6 | 12,0 | 12,6 | 13,4 | 11,8 | 12,7 | |
| 10,3 | 12,0 | 12,6 | 9,8 | 11,4 | 10,6 | 10,8 | |
| 4,5 | 4,7 | 4,4 | 4,0 | 5,0 | 4,3 | 4,6 | |
| 5,6 | 5,8 | 5,4 | 5,0 | 6,1 | 5,4 | 5,9 | |
| 3,2 | 3,4 | 3,6 | 3,8 | 4,0 | 4,2 | 3,9 | |
| 3,8 | |||||||
| 22,5 | 23,6 | 22,0 | 22,6 | 23,0 | 21,8 | 22,4 |
Приложение №3.
Варианты заданий к лабораторной работе №2.
| № п/п | | | | | | | |  |
| 25,6 | 25,8 | 25,4 | 25,0 | 25,3 | 26,8 | 25,7 | 27,6 | |
| 12,5 | 13,6 | 12,0 | 12,6 | 13,4 | 11,8 | 12,7 | 14,0 | |
| 10,3 | 12,0 | 12,6 | 9,8 | 11,4 | 10,6 | 10,8 | 8,3 | |
| 4,5 | 4,7 | 4,4 | 4,0 | 5,0 | 4,3 | 4,6 | 5,5 | |
| 5,6 | 5,8 | 5,4 | 5,0 | 6,1 | 5,4 | 5,9 | 6,4 | |
| 3,2 | 3,4 | 3,6 | 3,8 | 4,0 | 4,2 | 3,9 | 4,6 | |
| 3,8 | ||||||||
| 22,5 | 23,6 | 22,0 | 22,6 | 23,0 | 21,8 | 22,4 | 24,2 |
Приложение 4
Варианты заданий к лабораторной работе №3.
Подобрать эмпирическую формулу для следующих измерений.
| x | y | x | y | x | y | x | y | x | y | x | y | x | y | x | y |
| 0,31 | 3,2 | ||||||||||||||
| 0,44 | 3,4 | ||||||||||||||
| 0,51 | 3,6 | ||||||||||||||
| 0,54 | 3,8 | ||||||||||||||
| 0,59 | 4,0 | ||||||||||||||
| 0,63 | 4,2 |
Литература
1. Венецкий И.Г.. Теория вероятности и математическая статистика./И.Г.Венецкий, Г.С.Кильдишев. М.: Статистика. - 1975. – 170 с.
2. Налимов В.В., Логическое основание планирования эксперимента/В.В.Налимов, Т.И.Голикова . - М.: Металлургия. - 1981. – 151 с.
3. Герасимов И.Г., Структура научного исследования/ И.Г.Герасимов. - М.: Мысль. - 1985. – 201 с.
4. Закин И.Х., Основы научного исследования/ И.Х.Закин, Н.Р.Рамидов. - Ташкент: ЧКИТУ. - 1981. – 220 с.
5. Зайдель А.Н., . Структура научного исследования/ А.Н.Зайдель, Л.З.Румшин . - М.: Наука. -1971. – 180 с.
6. ГОСТ 24026-80. Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения – Введен 06.03.80
Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине «Основы научных исследований» для студентов всех форм обучения специальности 240403 - Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов
Составители: доцент, к.х.н. Свинтицких Л.Е.
доцент Рычков Д.А.
Подписано к печати Бум. писч. №1
Заказ № Уч. изд. л.
Формат 60/90 1/16 Усл. печ.л.
Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж экз.
Издательство «Нефтегазовый университет»
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
Тюмень,ул. Володарского, 38
Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»
Тюмень, ул. Киевская, 52
Основы научных исследований и
Проектирования
Методические указания
к лабораторным занятиям студентов всех форм обучения
специальности 240403.62 - Химическая технология природных
энергоносителей и углеродных материалов
Тюмень
ТюмГНГУ
Утверждено редакционно-издательским советом
Тюменского государственного нефтегазового университета
Составители: доцент, к.х.н .Свинтицких Л.Е.,
доцент, Рычков Д.А.
Ó Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2011
Содержание
Введение. 4
Общие сведения.. 5