Планирование экспериментов

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО                  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ                    ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ»

 

Кафедра УП-1

\

РЕФЕРАТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ИССЛЕДОВАНИЕ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ  И ПОЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»

 
 

«Планирование экспериментов»

 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила студентка:

2 курса, группы УП-1,

вечерней  формы обучения

Щербаковой  Е.Г.

Проверил: Тавокин Евгений

Москва  – 2011

Содержание:

1. Введение

2. История

3. Классификация, виды и задачи экспериментов

4. Стратегия и тактика экспериментов

5. Основы планирования экспериментов, выбор факторов

6. Методы и способы измерений, погрешности измерений

7. Использование вычислительной техники в научных исследованиях

8. Заключение

9. Список использованной литературы

Введение

  Важнейшей составной частью научных исследований является эксперимент, основой которого является научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями. Основной целью эксперимента является выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

  Планирование  и анализ эксперимента представляет собой важную ветвь статистических методов, разработанную для решения  разнообразных задач, возникающих  перед исследователями. В одном  случае необходимо обнаружить и проверить причинную связь между входными переменными (факторами) и выходными переменными (откликами), в другом – отыскать оптимальные условия ведения процесса или сравнить изучаемые объекты и т.д.

   Под планированием эксперимента понимается процедура выбора числа опытов и условий их проведения, необходимых для решения поставленной задачи с требуемой точностью. Все переменные, определяющие изучаемый объект, изменяются одновременно по специальным правилам. Результаты эксперимента представляются в виде математической модели, обладающей определенными статистическими свойствами, например минимальной дисперсией оценок параметров модели.

   В планировании эксперимента сам эксперимент  рассматривается как объект исследования и оптимизации. Здесь осуществляется оптимальное управление ведением эксперимента, в зависимости от характера изучаемого объекта и целей исследования обоснованно выбираются тип планирование эксперимента, метод обработки данных. К различным типам эксперимента относятся: экстремальный, отсеивающий, сравнительный, описательный и другие виды.

История

  Планирование  эксперимента возникло в 20-х годах XX века из потребности устранить или хотя бы уменьшить систематические ошибки в сельскохозяйственных исследованиях путем рандомизации условий проведения эксперимента.

  С 1918 г. исследования Р. Фишера знаменуют начало первого этапа развития методов планирования эксперимента. Фишер разработал метод факторного планирования. Йетс предложил для этого метода простую вычислительную схему. Факторное планирование получило широкое распространение. Особенностью факторного эксперимента является необходимость ставить сразу большое число опытов

  В 1945 г. Д. Финни ввел дробные реплики  от факторного эксперимента. Это позволило  сократить число опытов и открыло  дорогу техническим приложениям планирования. Другая возможность сокращения необходимого числа опытов была показана в 1946 г. Р. Плакеттом и Д. Берманом, которые ввели насыщенные факторные планы.

  Следующим важным этапом было введение принципа последовательного шагового экспериментирования. Этот принцип был высказан в 1947 г.                            М. Фридманом и Л. Сэвиджем,

  Чтобы построить  современную теорию планирования эксперимента, не хватало одного звена - формализации объекта исследования. Это звено появилось в 1947 г. после создания Н. Винером теории кибернетики. Кибернетическое понятие «черный ящик», играет в планировании важную роль.

  В 1951 г. работой американских ученых Дж. Бокса и К. Уилсона начался новый этап развития планирования эксперимента. В ней сформулирована и доведена до практических рекомендаций идея последовательного экспериментального определения оптимальных условий проведения процессов .

  В 1954 - 1955 гг. Дж. Бокс, а затем П. Юл. показали, что планирование эксперимента можно использовать при исследовании физико-химических процессов, если априори высказаны одна или несколько возможных гипотез.

  Заключительный  этап развития теории планирования эксперимента начался в 1957 г., когда Бокс применил свой метод в промышленности. Этот метод стал называться «эволюционным планированием».

Виды  и задачи экспериментов

  Наука – сфера исследовательской деятельности, направленная на получение новых  знаний о природе, обществе и мышлении. В настоящее время развитие науки  связано с разделением и кооперацией  научного труда, созданием научных  учреждений, экспериментального и лабораторного оборудования.

  Эксперимент в ходе развития науки выступал мощным средством исследования явлений  природы и технических объектов. Но лишь сравнительно недавно он стал предметом исследования. Пристальное  внимание ученых и инженеров к  тому, как лучше и эффективней проводить эксперимент, возникло не случайно, а является следствием достигнутого уровня и масштаба экспериментальных работ на современном этапе развития науки и техники. Этот этап с рассматриваемой точки зрения характеризуется ростом общего числа проводимых экспериментальных работ; увеличением количества специалистов, занимающихся экспериментальной деятельностью; существенным усложнением объектов исследования и используемого экспериментального оборудования; тенденцией к удлинению среднего времени экспериментирования и удорожанию исследований; начавшаяся процессом внедрения средств и систем автоматизации эксперимента.

  Известно, что новая наука может возникнуть, если существует объективная необходимость  ее появления и имеется предмет  новой науки, представляющий общенаучный интерес. Сказанное в полной мере относится и к теории планирования эксперимента. Предмет исследования этого научного направления– эксперимент. Однако особенности планирования, постановки эксперимента рассматриваются и в физике, и в химии, и в прикладных науках. Для того, чтобы эксперимент стал предметом исследования отдельного научного направления, необходимо, чтобы он характеризовался некоторыми чертами, общими для любого эксперимента независимо от того, в какой конкретной области знаний эксперимент проводится. Такими общими чертами эксперимента является необходимость:

  1) контролировать любой эксперимент,  т.е. исключать влияние внешних  переменных, не принятых исследователем  по тем или иным причинам  к рассмотрению;

  2) определять точность измерительных приборов и получаемых данных;

  3) уменьшать до разумных пределов  число переменных в эксперименте;

  4) составлять план проведения эксперимента, наилучший с той или иной  точки зрения;

  5) проверять правильность полученных  результатов и их точность;

  6) выбирать способ обработки экспериментальных  данных и форму представления  результатов;

  7) анализировать полученные результаты  и давать их интерпретацию  в терминах той области, где  эксперимент проводится.

  Как и в любом сформировавшемся научном  направлении, в теории

  Планирование  эксперимента – это процедура  выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных  для решения поставленной задачи с требуемой точностью.

  Принципы, положенные в основу теории планирования эксперимента, направлены на повышение эффективности экспериментирования, т.е.

  - стремление к минимизации общего  числа опытов;

  - одновременное варьирование всеми  переменными, определяющими процесс,  по специальным правилам –  алгоритмам;

  - использование математического  аппарата, формализующего многие действия экспериментатора;

  - выбор четкой стратегии, позволяющей  принимать обоснованное решение  после каждой серии экспериментов.

  Задачи, для решения которых может  использоваться планирование эксперимента, чрезвычайно разнообразны.

  Поиск оптимальных условий, построение интерполяционных формул, выбор существенных факторов, оценка и уточнение констант теоретических  моделей, выбор наиболее приемлемых из некоторого множества гипотез  о механизме явлений, исследование диаграмм – свойство – вот примеры задач, при решении которых применяется планирование эксперимента. Можно сказать, что там, где имеет место эксперимент, есть и наука о его проведении – планирование эксперимента.

  Основной  целью эксперимента являются выявление  свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

  Постановка  и организация эксперимента определяют его назначение. Эксперименты, которые  проводятся в различных отраслях науки, являются химическими, биологическими, физическими, психологическими, социальными и т.д.

  Они различаются:

  По  способу формирования условий:

  - естественные;

  - искусственные.

  По  целям исследования:

  - преобразующие;

  - констатирующие;

  - контролирующие;

  - поисковые;

  - решающие.

  По  организации проведения:

  - лабораторные;

  - натурные;

  - полевые;

  - производственные и т.д.

  По  структуре изучаемых  объектов и явлений:

  - простые;

  - сложные.

  По  характеру внешних  воздействий на объект исследования:

  - вещественные;

  - энергетические;

  - информационные.

  По  характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования:

  - обычный;

  - модельный.

  По  типу моделей, исследуемых  в эксперименте:

  - материальный;

  - мысленный.

  По  контролируемым величинам:

  - пассивный;

  - активный

  По  числу варьируемых  факторов:

  - однофакторный;

  - многофакторный.

  По  характеру изучаемых  объектов или явлений: