Математическое моделирование. Если удается выразить весь моделируемый процесс в форме математических уравнений и отношений, то проблема может облегчиться тем, что эти математические уравнения и отношения исследуются на ЭВМ. В этом случае экспериментатор уже сам распоряжается планом проведения эксперимента, какие параметры и как надо варьировать, а какие стабилизировать. Эксперимент ведется в строгих рамках принятых допущений и введенных в рассмотрение параметров. Составляя математическую модель нужно стремиться оставить для рассмотрения лишь наиболее существенные параметры, делать математическое описание процесса как можно проще. Многие экологические и природоохранные процессы, в настоящее время, описаны в виде математических моделей и благодаря ЭВМ возможно прогнозирование изменений и устойчивости многих параметров систем.
Следующий уровень предполагает деление экспериментов согласно стадиям проведения научных исследований. Здесь можно выделить лабораторные, стендовые эксперименты и эксперименты в промышленных условиях.
К лабораторным относятся эксперименты по изучению общих закономерностей различных явлений и процессов, по проверке научных гипотез и теорий. Лабораторный эксперимент характеризуется небольшим числом измерительных и управляющих каналов, малыми энергетическими затратами экспериментальной установки, немногочисленным штатом обслуживающего персонала.
При лабораторном эксперименте велика роль самого экспериментатора. Установка для экспериментального исследования, как правило, создается им самим и находится в его подчинении на все время исследования. Этот фактор определяет и сравнительно низкий коэффициент ее загрузки, так как часть времени она простаивает (в период анализа полученных результатов или перемонтажа и наладки оборудования).
Стендовые исследования проводят при необходимости изучить вполне конкретный процесс, протекающий в исследуемом объекте с определенными физическими, химическими и другими свойствами. При стендовых исследованиях на основе сведений, полученных на стадии лабораторных экспериментов, уточняются характеристики объекта, его поведение при варьировании факторов, воздействующих на объект, определяются оптимальные условия функционирования объекта исследования. По результатам стендовых испытаний судят о различных наработках при расчетах или проектировании объекта, изделия или технического процесса. Также в ходе стендовых исследований вырабатываются рекомендации относительно серийного выпуска изделия и условий его эксплуатации. Такие исследования характерны и при изучении параметров устройств или технологий, способствующих улучшению природоохранных мероприятий.
Промышленный эксперимент проводят при создании нового изделия или организации технологического процесса по данным лабораторных или стендовых исследований, при оптимизации технологического процесса, при проведении контрольно-выборочных испытаний качества выпускаемой продукции. Этот вид эксперимента по своему принципу является как бы зеркальным отображением математического моделирования. В математическом моделировании экспериментальным инструментом является ЭВМ. На ней по составленным уравнениям и значениям параметров, выбранных в качестве определяющих и полученных из измерительного эксперимента, воспроизводится исследуемый процесс.
В промышленном эксперименте экспериментальная установка применяется для сложного измерительного эксперимента. В нем тип исследуемого процесса и уравнения, его описывающие, известны. Но сам процесс часто настолько сложен, что произвести его математическое моделирование при современном уровне средств вычислительной техники оказывается невозможным. С появлением более мощных ЭВМ часть наиболее простых промышленных экспериментов заменяется математическим моделированием.
Информативность промышленного эксперимента, как правило, велика, что в сочетании со сложностью обработки данных делает его чрезвычайно трудоемким. Промышленный эксперимент может быть модельным, полунатурным и натурным. Следующий признак классификации учитывает организацию экспериментов. По данному классификационному признаку выделяют обычные (рутинные), специальные (технические), уникальные и смешанные эксперименты, проводимые в стационарных условиях или на подвижных объектах.
Наиболее часто встречаются обычные эксперименты. Такие эксперименты выполняются по стандартным методикам с использованием сравнительно простого локального экспериментального оборудования.
Технические эксперименты связаны с созданием и исследованием различных приборов, аппаратов и технологий. Уникальные эксперименты проводятся на сложном дорогостоящем экспериментальном оборудовании. Такие эксперименты отличаются большими объемами экспериментальных данных, высокой скоростью протекания исследуемых процессов, широким диапазоном изменения характеристик объектов исследования.
Смешанный эксперимент обладает особенностями разных типов экспериментов. Названные разновидности экспериментов организуются как в стационарных условиях, так и на подвижных объектах (морских, авиационных, космических, наземных).
Следующий уровень классификации экспериментальных исследований по признаку, определяемому их частными целями, или по типу моделей определенного вида, восстанавливаемых по результатам исследований. Говорят также, что данный уровень классификации осуществляется по постановке задачи определения вида модели.
В отдельных случаях экспериментатора могут интересовать установление наличия связей между некоторыми переменными объекта исследования, вида взаимосвязей между ними, конкретных аналитических зависимостей, количественно описывающих объект исследования, уточнение вида и параметров этих аналитических зависимостей. Проведение эксперимента приводит к понижению степени неопределенности в априорно известной модели исследуемого объекта.
Постановка задачи конкретного экспериментального исследования определяется уровнем сложности исследуемого объекта, количеством и качеством априорной информации об объекте, т.е. степенью его изученности, особыми условиями существования объекта, например, подверженностью случайным неконтролируемым внешним воздействиям, наличием дрейфа характеристик и т.д. и требуемой степенью детализации его описания. Эти общие принципы постановки задачи рассматриваются как составные элементы признака классификации.
В постановке задачи можно выделить ее характеристики, достаточно общие и вместе с тем выражающие наиболее существенные отличия данной постановки от других. На основе таких характеристик формируются классы экспериментов. Критерием формирования определенного класса экспериментов на данном уровне схемы классификации считают существование некоторого набора методов, позволяющих решить задачу с учетом существенных характеристик ее постановки.
На данном уровне классификации выделяют следующие классы:
- эксперименты по нахождению модели объекта исследования при наличии неоднородностей разного вида;
- эксперименты по нахождению модели объекта исследования при взаимосвязанных входных переменных;
- эксперименты по нахождению модели объекта исследования при наличии у него «памяти», т.е. свойства сохранять последействие;
- эксперименты по нахождению модели объекта исследования при выяснении механизма явлений;
- эксперименты по нахождению модели объекта исследования, описывающей локальную область пространства его параметров, соответствующую экстремуму некоторого критерия оптимальности при наличии временного дрейфа параметров;
- эксперименты по нахождению модели объекта исследования, описывающей локальную область пространства ею параметров, соответствующую экстремуму некоторого критерия оптимальности при отсутствии временного дрейфа параметров;
- эксперименты по нахождению модели объекта исследования, описывающей степень влияния входных переменных на выходные переменные;
- эксперименты по нахождению математической модели объекта исследования, позволяющей преобразовать набор переменных объекта исследования;
- эксперименты по нахождению математической модели объекта исследования, прогнозирующей его поведение;
- эксперименты по нахождению моделей классификации объектов исследования и проверки степени соответствия экспериментальных данных определенным известным моделям.
Наконец, последний уровень схемы классификации делит эксперименты по способу их проведения, определяющему характер взаимодействия системы автоматизации с объектом исследований. С этой точки зрения различают пассивный, активный с программным управлением, активный с обратной связью, активно-пассивный эксперименты.
Характеристика активного и пассивного экспериментов дана ранее. Активный эксперимент с программным управлением проводится по заранее разработанному плану. В соответствии с этим планом исследователь воздействует на факторы, влияние которых исследуется, переводя их с одного уровня на другой согласно плану эксперимента. При этом изменение функции отклика, отражая реакцию исследуемого объекта на управляющие воздействия, позволяет выяснить природу происходящих в объекте исследования процессов. В случае активного эксперимента с обратной связью система автоматизации интерпретирует результаты на каждом шаге эксперимента и выбирает оптимальную стратегию управления им. Активно-пассивный эксперимент характеризуется тем, что при его проведении часть факторов просто контролируется, а по другой части осуществляется управление.
Министерство образования и науки Республики Казахстан