Классификация видов экспериментальных исследований

Прежде всего отметим, что любой эксперимент предполагает проведение тех или иных опытов.

Опыт - воспроизведение исследуемого явления в определенных услови­ях проведения эксперимента при возможности регистрации его результатов.

По цели проведения и форме представления полученных результатов эксперимент делят на качественный и количественный.

Качественный эксперимент устанавливает только сам факт существова­ния какого-либо явления, но при этом не дает никаких количественных характе­ристик объекта исследования. Любой эксперимент, каким бы сложным он ни был, всегда заканчивается представлением его результатов, формулировкой выводов, выдачей рекомендаций. Эта информация может быть выражена в ви­де графиков, чертежей, таблиц, формул, статистических данных или словесных описаний. Качественный эксперимент как раз и предусматривает именно сло­весное описание его результатов.

Пример 1.1. Если взять два куска стальной проволоки диаметром 5,0 мм, один из которых после пластической деформации не имел термической обра­ботки (проволока 5,0-11 ГОСТ 3282-74), а второй прошел операции отжига (про­волока 5,0-О-С ГОСТ 3282-74), и подвергнуть их нескольким перегибам, то лег­ко убедиться, что термически не обработанный металл разрушается раньше (при меньшем числе перегибов), т.е. имеет меньшую пластичность.

Однако словесное описание - не самый эффективный и информативный способ представления результатов эксперимента, поскольку он не позволяет дать количественных рекомендаций, проанализировать свойства объекта в иных условиях. Поэтому в инженерной практике основное содержание экспери­мента представляется числом и количественными зависимостями.

Количественный эксперимент не только фиксирует факт существования того или иного явления, но, кроме того, позволяет установить соотношения ме-

1. ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

жду количественными характеристиками явления и количественными характе­ристиками способов внешнего воздействия на объект исследования.

В условиях примера 1.1, для того чтобы перевести эксперимент из раз­ряда "качественный" в "количественный", необходимо:

- определить и количественно описать те параметры процесса отжига и те свойства материала, которые по предположению могут повлиять на пластич­ность стали (например: температура отжига, °С; скорость охлаждения, °С/ч, фактический химический состав стали, из которой изготовлена проволока и т.д.);

- выбрать ту или иную количественную характеристику пластичности металла (например, число перегибов проволоки к моменту ее разрушения по ГОСТ 1579-93);

- в результате эксперимента необходимо установить количественную зависи­мость между пластичностью проволоки и параметрами процесса термообра­ботки, с учетом тех возможных колебаний химического состава, которые до­пустимы для данной марки стали.

Итак, количественный эксперимент прежде всего предполагает количест­венное определение всех тех способов внешнего воздействия на объект иссле­дования, от которых зависит его поведение - количественное описание всех факторов.

Фактор - переменная величина, по предположению влияющая на резуль­таты эксперимента.

Например, в качестве факторов рассматриваемого иллюстративного экс­перимента можно выбрать температуру отжига, скорость охлаждения, процент­ное содержание углерода или любого другого химических элемента, регламен­тированного для данной марки стали.

В отдельном конкретном опыте каждый фактор может принимать одно из возможных своих значений - уровень фактора.

Уровень Фактора - фиксированное значение фактора относительно на­чала отсчета.

1. ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Например, одним уровнем такого фактора, как скорость охлаждения при отжиге, может быть 50 °С/ч, другим - 100 °С/ч и т.д.

Фиксированный набор уровней всех факторов в каждом конкретном опы­те как раз и определяет одно из возможных состояний объекта исследования.

При проведении опытов очень многое зависит от того, насколько активно экспериментатор может "вмешиваться" в исследуемое явление, имеет он или нет возможность устанавливать те уровни факторов, которые представляют для него интерес.

С этой точки зрения все факторы можно разбить на три группы:

- контролируемые и управляемые - это факторы, для которых можно не толь­ко зарегистрировать их уровень, но еще и задать в каждом конкретном опы­те любое его возможное значение;

- контролируемые, но неуправляемые факторы - это факторы, уровни кото­рых можно только регистрировать, а вот задать в каждом опыте их опреде­ленное значение практически невозможно;

- неконтролируемые - это факторы, уровни которых не регистрируются экспе­риментатором и о существовании которых он даже может и не подозревать.

В примере 1.1 в качестве контролируемых и управляемых факторов мож­но очень вероятно рассматривать температуру отжига и скорость охлаждения проволоки. А вот фактическое процентное содержание различных химических элементов стали, по всей видимости, попадет в группу контролируемых, но не­управляемых факторов. Дело здесь в том, что химический состав еще может и удастся зарегистрировать (переписав его из паспорта плавки или из сопроводи­тельных документов на данную партию проволоки), но вот задать, в условиях реального действующего сталеплавильного производства, для каждого опыта строго определенное процентное содержание, например, углерода - задача практически невыполнимая. Наконец, к группе неконтролируемых факторов в этом примере можно отнести массу причин, по которым может измениться пла­стичность металла (неравномерность деформации металла по длине бунта проволоки в процессе прокатки или при волочении, неблагоприятные условия

1. ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

хранения металла, приводящие к его повышенной коррозии, и т.д. и т.п., на сколько в данном случае хватит фантазии исследователя).

В количественном эксперименте необходимо не только регистрировать уровни всех контролируемых факторов, но и иметь возможность устанавливать количественное описание того свойства (отклика) исследуемого явления, кото­рое изучает (наблюдает) экспериментатор. Причем поскольку на объект иссле­дования в процессе эксперимента всегда влияет огромное количество некон­тролируемых факторов, что вносит в получаемые результаты некоторый эле­мент неопределенности, значение отклика, в каждом конкретном опыте, невоз­можно предсказать заранее. Поэтому воспроизведение исследуемого явления при одном и том же фиксированном наборе уровней всех контролируемых фак­торов всегда будет приводить к различным значениям отклика, т.е. отклик - это всегда случайная величина.

Отклик - наблюдаемая случайная переменная, по предположению зави­сящая от факторов.

Откликом в условиях примера 1.1 является пластичность стальной про­волоки (количество перегибов к моменту разрушения). Причем даже если взять куски проволоки от одного и того же мотка (т.е. металл одной плавки - одинако­вого химического состава, имеющий один и тот же режим термообработки при одинаковой температуре отжига и скорости охлаждения), то и при этом для ка­ждого куска проволоки мы получим разные (хотя и очень близкие друг к другу) значения пластичности металла.

И наконец, в результате количественного эксперимента необходимо най­ти зависимость между откликом и факторами - функцию отклика. Причем по­скольку отклик - это случайная величина, то, с точки зрения теории вероятно­стей, его можно задать одним из параметров своего распределения, например математическим ожиданием.

Функция отклика - зависимость математического ожидания отклика от факторов.

В примере с проволокой - это зависимость математического ожидания величины пластичности стали от температуры отжига, скорости охлаждения и химического состава металла.

1. ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

С учетом приведенного выше деления факторов на три группы, функцию отклика в самом общем случае можно записать в виде

М_у=f (xi, hj) + £5, (1.1)

где My - математическое ожидание отклика; х, - контролируемые и управляемые факторы; hj - контролируемые, но неуправляемые факторы; е₅ -ошибка эксперимента, учитывающая влияние неконтролируемых факторов.

По тому, какой группой факторов располагает исследователь, количест­венный эксперимент в свою очередь можно разделить еще на два вида. Если в распоряжении экспериментатора нет управляемых факторов, то такой экспери­мент носит название пассивного.

Пассивный эксперимент - эксперимент, при котором уровни факторов в каждом опыте регистрируются исследователем, но не задаются.

Поскольку при пассивном эксперименте исследователь не имеет воз­можность задать уровень ни одного из факторов, то при проведении опытов ему остается лишь "пассивно" наблюдать за явлением и регистрировать ре­зультаты. Планирование пассивного эксперимента сводится к определению числа опытов, которые необходимо провести исследователю для решения по­ставленной перед ним задачи, а конечной целью пассивного эксперимента в большинстве случаев является получение функции отклика в виде

М_у =f (hj) + £5. (1.2)

Если же экспериментатор имеет возможность не только контролировать факторы, но и управлять ими, то такой эксперимент носит название активного.

Активный эксперимент - эксперимент, в котором уровни факторов в каж­дом опыте задаются исследователем.

Поскольку в этом случае экспериментатор имеет возможность "активно" вмешиваться в исследуемое явление, то естественно, что активный экспери­мент всегда предполагает какой-либо план его проведения.

План эксперимента - совокупность данных, определяющих число, усло­вия и порядок реализации опытов.

1. ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Поэтому активный эксперимент всегда должен начинаться с планирова­ния.

Планирование эксперимента - выбор плана эксперимента, удовлетво­ряющего поставленным требованиям.

К требованиям, предъявляемым при планировании активного экспери­мента, можно отнести степень точности и надежности результатов, полученных после проведения эксперимента, сроки и средства, имеющиеся в распоряжении исследователя, и т.д.

Целью активного эксперимента может быть либо определение функции отклика в виде

М_у =f (xi) + £5, (1.3)

либо поиск такого сочетания уровней управляемых факторов х/, при котором достигается оптимальное (экстремальное - минимальное или максимальное) значение функции отклика. В этом последнем случае эксперимент носит еще название поискового (экстремального) эксперимента.

Например, если в случае с разрушением проволоки мы бы поставили пе­ред собой целью найти такое сочетание температуры отжига и скорости охлаж­дения, при которых пластичность металла была бы максимальной, то наш экс­перимент стал бы поисковым.

И наконец, по условиям проведения различают лабораторный и про­мышленный эксперименты.

Лабораторный эксперимент. В лаборатории меньше влияние случайных погрешностей, обеспечивается большая "стерильность" условий проведения опытов, в большинстве случаев осуществляется и более тщательная подготов­ка, одним словом, выше "культура эксперимента". Как правило, в лаборатор­ных условиях экспериментатор может воспроизвести опыт "одинаково" значи­тельно лучше, чем в промышленности. Это означает, что при прочих равных условиях для установления некоторого факта на заводе потребуется выполнить значительно больше опытов, чем в лаборатории. Другое важное отличие - это большая возможность варьировать (изменять) уровни факторов. Когда в лабо­ратории исследуется химическая реакция, температуру по желанию можно ме-

1. ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

нять в широких пределах, а в металлургических печах, напротив, если ее и можно менять, то в значительно более узком диапазоне и с большей осторож-ностью.

Промышленный эксперимент. В промышленных условиях обеспечить ус-ловия лабораторного эксперимента значительно труднее. Усложняются изме­рения и сбор информации, значительно большее влияние на объект исследо­вания и измерительные приборы оказывают различного рода помехи (резко возрастает число неконтролируемых факторов), поэтому в промышленном экс-перименте особенно необходимо использовать специальные статистические методы обработки результатов. Кроме того, на реальном действующем произ­водстве всегда желательно по возможно меньшему числу измерений получить наиболее достоверные результаты.

Контрольные вопросы

1. Что такое эксперимент? Какова его роль в инженерной практике?

2. Какие общие черты имеют научные методы исследований для изуче­ния закономерностей различных процессов и явлений в промышленности?

3. Приведите классификации видов экспериментальных исследований, исходя из цели проведения эксперимента и формы представления результатов, а также в зависимости от условий его реализации.

4. В чем заключаются принципиальные отличия активного эксперимента от пассивного?

5. Поясните преимущества и недостатки лабораторного и промышленно­го эксперимента.

6. В чем отличие количественного и качественного экспериментов?

7. Дайте определения следующим терминам: опыт, фактор, уровень фак-тора, отклик, функция отклика, план и планирование эксперимента.