книги / Теория инженерного эксперимента
..pdfX. Шенк
ТЕОРИЯ
ИНЖЕНЕРНОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА
Перевод с английского Е. Г. КОВАЛЕНКО
Под редакцией чл.-корр. АН СССР
Н. П. БУСЛЕНКО
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» М О С К В А 1972
THEORIES OF ENGINEERING
EXPERIMENTATION
Second Edition
HILBERT SCHENCK, JR.
Professor of Ocean and Mechanical Engineering
University of Rhode Island
M c O R A W - H I L L B O O K C O M P A N Y
N E W Y ORK. ST. LOU IS, SAN F R A N C I S C O ,
T O R O N T O , L O N D O N , S Y D N E Y
В книге освещены основные проблемы современной теории ин женерного эксперимента: организация испытаний и анализ .влияния случайных факторов на ошибки отдельных измерений или резуль тата эксперимента в целом, вопросы проектирования измерительных систем и планирования эксперимента, методы обработки данных и их анализ. С практической точки зрения существенный интерес представляют разделы, посвященные анализу размерностей в соот ношениях между физическими величинами, описанию результатов эксперимента математическими зависимостями и методике использо вания ЭВМ при проведении эксперимента. Изложение материала отличается простотой и наглядностью; приводится много примеров из различных областей техники.
Книга представляет большой интерес для инженеров, научных работников, аспирантов и студентов старших курсов всех специаль ностей, связанных с широким использованием экспериментальных методов.
Редакция литературы по новой технике
Инд. 3-3-14 152-71
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ИЗДАНИЯ
Важность эксперимента в современной науке и техни ке не вызывает сомнения. Чтобы представить себе масшта бы повседневной экспериментальной работы, достаточно к натурным исследованиям, проводимым в области фун даментальных наук и при проектировании новой техники, добавить испытания образцов опытной и серийной про дукции на тысячах заводов страны.
Технический прогресс приводит не только к увеличе нию сложности объектов испытаний — аппаратуры и оборудования, выпускаемых промышленностью; одновре менно повышаются требования к глубине проникновения в сущность функционирования составных частей и взаи модействия между ними, а также к точности измерения регистрируемых величин. Это ставит перед теорией ин женерного эксперимента новые проблемы.
Одна из них порождается тем, что характеристики объектов испытаний, которые требуется определить в ре зультате эксперимента, все чаще оказываются недоступ ными непосредственному измерению. Другими словами, совокупность технико-экономических показателей, по ко торым производится оценка испытуемого объекта или принимаются важные организационные и конструктивные решения, не совпадает, как правило, с совокупностью параметров объекта, определяемых по результатам на турного эксперимента.
Другой проблемой является организация испытаний объектов, процессы функционирования которых носят сложный динамический характер и подвержены сущест венным влияниям изменяющихся условий внешней среды. Наконец, при испытаниях сложных комплексов повы шается значение учета тех влияний, которые оказывает
испытательное, регистрирующее и управляющее оборудование на сам процесс функционирования испытуемого объекта. Поэтому важнейшим принципом организации сложных экспериментов в современных условиях являет ся системный подход, предполагающий рассмотрение всех средств, участвующих в эксперименте, как единой систе мы, описываемой соответствующей математической мо делью.
Математическая модель становится неотъемлемым эле ментом испытаний, без построения которой невозможно осуществить планирование эксперимента, его проведение и обработку результатов. В самом деле, только наличие соотношений, связывающих искомые технико-экономи ческие характеристики испытуемого объекта с его пара метрами, позволяет получить обоснованные суждения о перечне необходимых испытательных мероприятий, и их рациональной последовательности, совокупности регист рируемых величин, о требованиях к точности измерений и частоте регистрации и т. д. Эти же соотношения служат для определения оценок искомых характеристик, удовле творяющих соответствующим статистическим требованиям (несмещенность, минимум дисперсии и др.). Для построе ния математической модели испытательного процесса не обходимо иметь весьма четкое представление о его струк туре, поведении отдельных элементов, взаимодействии между ними, влиянии различных факторов, а также о реакции на изменения условий испытаний.
Книга X. Шенка «Теория инженерного эксперимента», перевод которой предлагается вниманию советского чи тателя, является хорошим введением в проблему анализа и организации современных экспериментальных исследо ваний. Помимо традиционного материала, относящегося к применению методов теории вероятностей для описания закономерностей формирования погрешностей экспери мента (главы 2 и 3), и методов математической статистики для обработки его результатов (главы 7 и 8), она содер жит оригинальные разделы, посвященные вопросам си стемного подхода к организации испытаний. Сюда отно сится глава 4, где описываются анализ размерностей и некоторые приемы формирования моделей для испытуе мых объектов, а также главы 5 и 6, в которых излагаются
принципы проектирования измерительных систем и пла нирования эксперимента.
Особую ценность книге придают простота и нагляд ность изложения сложных вопросов теории эксперимен та, имеющих глубокий математический смысл (я-теорема, аппроксимация опытных зависимостей, статистические критерии и т. д.). Большинство рекомендуемых приемов анализа эксперимента и обработки его результатов ил люстрируется примерами из различных областей техники. В конце каждой главы имеются контрольные задачи.
Для овладения материалом книги достаточна матема тическая подготовка в объеме обычной программы выс ших технических учебных заведений. Некоторые допол нительные сведения приводятся по мере надобности в со ответствующих главах.
Книга будет полезна инженерам и студентам старших курсов всех специальностей, соприкасающихся с вопро сами организации экспериментальных исследований.
Я. Бусленко
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
Проведение экспериментов считается «искусством, ко торому можно научиться, но которому нельзя научить». Такое утверждение, по-видимому, справедливо, если под экспериментом подразумевается общий процесс научного исследования и получения новых данных. Некоторые экспериментаторы, имея весьма скудные и недостоверные данные, способны открыть новые важные принципы, тогда как другие даже при исчерпывающем исследовании упу скают очевидные факты. Хотя искусству делать открытия нельзя научиться, научить искусству подготовки к от крытиям все же можно. Можно научить исключать или учитывать случайные воздействия окружающей среды, планировать эксперименты и определять порядок измене ния условий эксперимента, оценивать ошибки и их сово купное влияние, многократно проверять получаемые дан ные и представлять эти данные в упорядоченном и нагляд ном виде. И наиболее вероятно, что после этого открытие— большое или малое (если оно возможно) — будет сделано. Именно эта сторона эксперимента как искусства и состав ляет содержание данной книги.
Эта книга задумана как учебное и справочное пособие для будущих инженеров — механиков, строителей и элек тротехников. Она окажет им помощь при выполнении лабораторных работ, написании наиболее сложных раз делов дипломной работы, а также при проведении экспе риментов на промышленных предприятиях. Книга су щественно отличается от традиционных учебников или ру ководств по лабораторным работам, она не содержит де тальных описаний измерительных приборов, машин и конкретных экспериментов. Вряд ли было бы оправдано слишком большое внимание к движению клапанов паро
вого двигателя или анализу каменноугольной золы. Сту дент технического учебного заведения, изучив такие из мерительные устройства, как расходомер, дозирующее отверстие, мерная бочка, водослив, гидрометрическая вертушка и датчик статического давления в потоке, в практической деятельности может впервые столкнуться с электромагнитным измерителем скорости течения. Если при обучении в колледже основное внимание уделялось механическим деталям устройств и инструкциям по экс плуатации, то инженер начнет свою работу действитель но с малым багажом. Если же в процессе изучения этих традиционных измерительных средств студент освоит такие вопросы, как определение ошибки некоторого из мерения, распределение ошибок относительно «истин ного» значения, определение суммарной ошибки в систе мах с измерением нескольких величин, планирование из мерения расхода (или каких-либо других величин) с целью обеспечения минимальной неопределенности, про верка наличия систематической или случайной ошибки, применение уравнения баланса и методов экстраполяции» то новая проблема, с которой он столкнется, покажется ему ненамного сложнее тех, с которыми он уже встречался ранее, и может быть сформулирована с помощью терми нов из области механики или электротехники. Я полагаю, что не имеет значения, какое именно лабораторное обору дование используется при обучении студентов. В настоя щее время основное внимание необходимо уделять общим принципам экспериментальной работы.
Почти половина книги посвящена простым статисти ческим методам, однако это не учебник по математической статистике. Выводы и доказательства сведены к миниму му, статистика, подобно арифметике, рассматривается только как рабочий инструмент. Для понимания материа ла не требуется знания математической статистики, пред полагается, что читатель знаком лишь с основами диффе ренциального и интегрального исчисления. Для иллюст рации принципов экспериментальной работы широко ис пользуются числовые примеры. По возможности эти при меры связываются с простыми инженерными эксперимен тами, которые являются общими при подготовке инжене ров любого профиля. Было бы полезно иметь некоторый
опыт занятий в учебной лаборатории или опыт практи ческой работы, хотя это и не обязательно.
В настоящее время исследователю доступны многие аналитические методы, которым можно было бы посвя тить целую книгу. При отборе материала данной книги учитывались два обстоятельства. Во-первых, рассматри ваемые методы должны иметь важное значение в основном для инженеров-механиков, инженеров-строителей и ин- женеров-электротехников. Во-вторых, численные решения должны быть достаточно простыми и не требовать приме нения вычислительной техники, хотя широкое распрост ранение цифровых вычислительных машин и появление их даже в небольших учебных заведениях делает необхо димым обсуждение хотя бы некоторых вопросов, связан ных с обработкой дискретных данных. Такой выбор кри териев может вызвать возражения квалифицированных экспериментаторов или специалистов в области статисти ки. Например, в книге большое внимание уделяется пла нированию факторных экспериментов, тогда как диспер сионный анализ, часто применяемый при планировании экспериментов, почти не рассматривается. Такой отбор материала обусловлен убеждением автора в том, что пла нирование экспериментов дает инженеру определенные неоценимые преимущества и возможности контроля, ко торые в настоящее время используются далеко не пол ностью. В экспериментах, относящихся к механике и электротехнике, от исследователя, как правило, требует ся лишь простой графический анализ результатов. Более сложный материал, связанный с изучением распределений и корреляций, опускается не потому, что эти вопросы не интересуют инженеров, а вследствие того, что для их изу чения требуется много времени, а студенты и экспери ментаторы обычно не имеют возможности уделять много внимания этим вопросам. Если читателя интересуют более детальные, более мощные и трудоемкие критерии и мето ды, он может обратиться к другим источникам, перечень которых приводится в конце каждой главы.
Любая книга, в которой делается попытка рассмотреть столь обширный предмет, напоминает в некотором отно шении запоминающее устройство вычислительной маши ны; читателю предлагаются то одни, то другие аналити