Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Математические методы и планирование эксперимента в грунтоведении и инженерной геологии

..pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
16.89 Mб
Скачать

 

 

 

 

Т а б л

Кодированные

значения факторов

опт

 

 

___ЗСз

Х ц

 

 

 

~ Т

- I

- I

- I

_ -I

2

+1

- I

- I

- I

S'

- I

+1

- I

- I

4:

+1

+1

- I

- I

5

- I

- I

+1

- I

б

+1

- I

+1

-I

7

- I

+1

+1

- I

8

+1

+1

+1

- I

9

- I

- I

- I

+1

10

+1

- I

- I

+1

I I

- I

+1

- I

+1

12

+1

+1

- I

+1

13

- I

- I

+1

+1

14

+1

- I

+1

+1

15

- I

+1

+1

+1

16

+1

+1

+1

+1

17

- 2,00

о

О

О

18

+2,00

о

О

о

19

О

- 2,00

о

О

20

О

+2,00

о

о

21

О

О

- 2,00

о

22

О

О

+2,00

о

23

О

О

О

2,00

24

О

О

0

+2,00

25

О

О

О

О

26

О

О

0

О

27

О

О

О

О

28

О

О

О

О

29

О

О

О

0

30

О

О

О

О

31

О

О

О

О

раметра

оптимизации с требуемой надежностью и проверка

одно­

родности

результатов эксперимента были рассмотрены в

главе

I

данного

раздела.

 

 

 

 

Коэффициенты модели определяют по формулам (72)«

а

дове­

рительные интервалы при проверке их значимости - по

формулам

(7 3 ). При этом в формулы

(73) вместо общей дисперсии

среднего

<$?! подставляется дисперсия воспроизводимости (ошибка

 

экспе-

з-

л%

Адекватность модели проверяют по критерию Фише-

римента) р0

ра

 

г

 

 

 

 

 

Яр - $ а $ /$ о,

 

 

 

где

- дисперсия адекватности, которая определяетоя

по

фор-

£ • < . ) / < « * /

- дисперсия воспроизводимости (ошибка эксперимента), опре­ деляемая по результатам опытов в центре.плава,

й= ( £ ( Г ^ Т ) / М ,

£- средняя в центральной точке рассчитывается по формуле

р

/

о \ /

^

 

 

 

>Гоколичество опытов в

центре плана;

$оСт - определяется по

формуле (74)

^

; X -

число

значимых

коэф­

фициентов в модели.

_

 

 

 

 

 

Необходимое условие

адекватности Гр*=гт ,

Табличное

зна­

чение критерия Фишера FT

принимают по

табл. УП Приложения

в

зависимости от 4о и

 

.

 

 

 

 

Построение модели в

натуральных значениях переменных

и

ее графическая интерпретация осуществляются аналогично планам на шестиугольнике и на кубе.

Глава 5 . ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИМПЛЕКСНЫХ И СИМПЛЕКС-РЕШЕТЧАТЫХ ПЛАНАХ

Симплексом называется простейшая выпуклая геометрическая фигура (от лат. Sim plex - простой). В двумерном пространстве ( т .е . на плоскости) симплексом является любой треугольник, в трехмерном пространстве - любая треугольная пирамида (тетра­ эдр).

Симплексные и симплекс-решетчатые планы нашли наибольшее применение при исследовании объектов (материалов, процессов) с зависимыми факторами. Факторное пространство этих планов

представляет собой правильный (tt-i. )-ыерный симплекс ,(рис. 27).

Необходимым

условием

(%

построения

этих

планов

является

 

зависимость

 

ыенду факторами

 

вида

 

он

 

— 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как

 

правило,

это

 

условие

 

соблюдается при

 

изучении

свойств (каче­

&

ства) смесей

(матери­

алов),

зависящих только

 

от соотношений

их

ком­

 

понентов.

 

 

 

 

Симплекс-решетча­

 

тые планы,

позволяющие

 

получить

модели

 

4-го

 

порядка

и выше,

в

ис­

 

следовании

грунтов

при­

 

меняются редко. Их

по-

Рио. 27.

строение

требует прове­

 

дения большого количества опытов, а полученная модель затруд­ няет поиск оптимального состава (хотя и более точно описывает исследуемую зависимость, по ораввешно с уравнениями второго и третьего порядков).

В практике исследования грунтов наибольшее применение на­ шли планы для полиномов второго и неполного третьего порядков

 

(рис. 38) вида:

 

 

 

а)

модель

второго

 

порядка

С5+ "84Я.ft:

 

•Ijs

 

б)

модель неполного

 

третьего

порядка

 

 

 

t£-£|X( v

+ 65X 5+ ^ 42X 40^}.

 

+ £(j3cpci+^ х гХъЛаг

Х2ОС3.

 

Для построения

мо­

 

дели второго порядка про*-

Рио* 28*

водятся

7 опытов,

причем

опыт № 7 является

 

кон­

 

 

 

трольным* Для построения

модели неполного третьего порядка проводятся

8 опытов,

 

кон­

трольным является опыт № 8 . Патрица планирования эксперимента

для построения модели неполного третьего порядка приведена

в

табл»

12.

 

 

Т а б л и ц а

12

 

«

 

 

 

 

 

 

 

к

Кодированные значения факторов

Параметр

 

 

 

 

оптимизации,

опыта

 

 

* 1

ЭС5

Я

 

 

 

 

I

X

0

0

Ч<

 

2

0

I

0

и

 

8

0

0

X

Чъ

 

4

JD,5

0 ,5

0

Чч

 

5

0,5

0

0,5

4 s

 

6

0

0,5

0,5

Ч

 

7

0,883

0,838

0,333

47

 

8

0,2

0 ,6

0 ,2

ч 8

 

При кодировании натуральных значений факторов в каждой

опыте

плана должны соблюдаться условия:

2, +

 

+22+ 3

, =100

%, где X i и 2,-ц- соответственно,

кодированные

и

натуральные

значения I-фактора»

 

 

Определение средних значений паракетра оптимизации с тре­ буемой надежностью и проверка однородности результатов экспе­ римента не отличаются от рассмотренных в главе I данного раз­ дела.

Коэффициенты модели рассчитывают по следующим формулам:

4 я$ 1 * h - 4 -z 5 -&э= Ц-г » ^г=И ц-ау<-^г 5

Адекватность модели проверяется по критерию Стьюдента. Для этого необходимо поставить дополнительный контрольный опыт (опыт № 7 при построении модели второго порядка или опыт №8

при построении модели неполного третьего порядка).

Расчетное

значение критерия Стьюдента вычисляется по формуле

 

 

t p =

 

 

 

 

 

где tp - расчетное значение критерия Стьюдента для

контроль­

ного опыта; ^

- среднее

значение

параметра

оптимизации для

контрольного

опыта, у.р -

значение

параметра

оптимизации,

рас­

считанное по

уравнению для контрольного опыта; к

количест­

во измерений

параметра оптимизации в контрольном опыте;

общая дисперсия среднего, определяемая по формуле (63); С - ко­ эффициент , зависящий от состава смеси в контрольном опыте. Вычисляется он для контрольного опыта по формуле

Например:

а) для 7-го опыта (при построении модели второго порядка)

С =(0,933)2»(2*01Б88-1)^‘8+(16*0,3892*0,3382) *8=0,63;

б) для 8-го опыта (при построении модели неполного тре­ тьего порядка)

С=0,22*(0,2*2-1)2+0,62*(2*0,6-1)2+0,22»(2*0,2-1)2+ + 16*(0,22«0,62+0| 22*0,22+0,62*0,22)=0| 58,

Расчетное

значение

критерия Стьюдента Ctp) сравнивают с

табличным (tx )»

которое

принимают по

табл. У Приложения,

Если

выполняется условие " tp S tx »

модель

считается адекватной.

При невыполнении условия переходят к построению модели

более

высокого порядка, дополняя план эксперимента новыми точками» При использовании этих планов к модели в натуральных пе­ ременных, как правило, не переходят* Это сложный расчет, ко­ торый выполняют на ЭВМ. Поэтому сразу приступают к построению

графической интерпретации модели. Для построения графической интерпретации необходимо вычислить значения параметра оптими­

зации в каждой из специально

выбранных точек в

пределах сим­

плекса. Эти значения находят

путем подстановки

в полученное

уравнение координат точек симплекса и последующего

расчета»

Точки, которым соответствуют одинаковые значения параметра оп­ тимизации, соединяют кривыми. Полученные кривые называются ли­ ниями равных значений на симплексе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нами рассмотрены основные методы математического плани­ рования, постановки и реализации результатов эксперимента,по­ следовательность построения экспериментально-статистических моделей, приемы и порядок их оптимизации.

Для постановки эксперимента необходимо точно сформулиро­ вать цель и задачу исследования, выбрать основные факторы и единственный наиболее подходящий для конкретной задачи пара­ метр оптимизации. Это облегчит работу по выбору плана.

Наиболее ответственный этап построения модели - реализа­ ция плана. Здесь необходимы рандомизация опытов, тщательное соблюдение их условий, высокие надежность и точность средств измерения, строгий контроль внешних условий.

Математическую модель получают при обработке результатов эксперимента с помощью метода наименьших квадратов.

Получение адекватной модели сопровождается ее интерпре­ тацией. Все вместе и представляет собой математическое плани­ рование эксперимента.

 

 

Влажность, % (первичные данные)

 

 

 

16,4

16,7

16,7

16,5

16,3

16,8

17,2

16,5

16,3

16,2

16,0

15,4

16,2

16,2

16,5

16,2

16,4

16,4

16,7

16,6

17,1

16,6

16,5

16,7

16,5

15,9

16,8

16,5

16,5

16,4

16,4

16,8

17,0

16,5

16,6

16,7

16,6

15,8

16,4

16,3

16,3

16,2

16,6

16,1

16,4

16,2

16,4

16,5

16,3

16,1

15,9

15,8

16,5

17,1

16,5

16,9

16,3

16,4

16,3

16,4

16,4

16,6

16,4

16,5

17,2

16,7

16,6

16,6

15,8

16,2

16,6

1 5 ,7

16,4

16,2

16,0

16,5

17,1

16,4

16,5

16,3

16,7

16,8

16,9

16,0

16,4

15,6

16,9

16,5

16,3

16,8

16,6

16,5

16,3

16,5

17,5

16,4

16,7

16,3

16,4

16,5

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а П

 

 

 

Критические

значенияt

(<Р)

 

 

 

 

Ч*?

0,95

0,98-;

0,99-

0,999

 

0,95

0,98

 

0,99

0,999

к Ч

 

 

 

 

 

 

 

2,602

2,932

3,979

5

3,04

4,11

5,04

9,43

20

2,145

6

2,78

3,64

4,36

7,41

25

2,105

2,541

2,752

3,819

7

2,62

3,36

3,96

6,37

30

2,079

2,503

2,802

3,719

8

2,51

3,18

3,71

5,73

35

2,061

2,476

2,768

3,652

9

2,43

3,05

3,54

5,31

40

2,048

2,456

2,742

3,602

10

2,37

2,96

3,41

5,01

45

2,038

2,441

2,722

9,565

I I

2,33

2,89

3,31

4,79

50

2,030

2,429

2,707

3,532

12

2,29

2,83

3,23

4,62

60

2,018

2,411

2,683

3,492

13

2,26

2,78

3,17

4,48

70

2,009

2,399

2,667

3,462

14

2,24

2,74

3,12

4,87

80

2,003

2,389

2,655

3,489

15

2,22

2,71

3,08

4,28

90

1,998

2,382

2,646

3,429

16

2,20

2,68

3,04

4,20

100

1,994

2,377

2,639

3,409

17

2,18

2,66

3,01

4,13

 

1 ,9 6 0 |2,386

2,576

3,891

 

 

 

 

 

 

 

18

2,17

2,64

2,98

4,07

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а Ш

 

Значения интеграла вероятностейф

( t )

 

 

J.

 

 

 

Сотые доли, Ь

 

 

 

 

X

0

I

2

3

4

5

6

7

8

9

 

0 ,0

0,0000 0040 0080 0120 0160 0199 0239 0279

о к э

0359

0,1

0398

0438

0478

0517

0557

0596

0636

0675

0714

0753

0 ,3

0793 0832 0871 0910 0948 0987 1026 1064 1103

I I 41

0 ,3

1179

1217

1255

1293

1331

1368

1406

1443

1480

1517

0 ,4

1554

1591

1628

1664 1700

1736

1772

1803

1844

1879

0,5

1915 1950

1985

20X9

2054

2088

2X23. 2157

2X90

2224

0 ,6

2257

2291

2324 2357

2389

2422

2454

2486

2517

2549

0 ,7

2580

2611

2642

2678

2703

2734

2764

2794

2823

2852

0,8

2881

2910

2939

2967

2995

3023

8051

3078

3106

3133

0,9

3158

3186

3212

3238

3264

3289

3315

3340

3365

3389

1 ,0

3413

3437 3461

3485

8508

3531

3554

3577

3599

3621

1,1

3643

3665

3686

3708

8729

3749

3770

3790

3810

3830

1 ,2

3849

8869

3888

3307 8925

3944

3962

3980

3997

4015

х ,з

4003 4049 4066 4082 4099 4115 4132 4147 4163

4177

1 ,4

4192

4207

4222

4286

4251

4265

4279

4292

4306

4319

1 ,5

4332

4345

4357

4370

4382

4394

4406

4418

4429

4441

1 ,6

4452

4468

4474

4484

4495

4505

4515

4525

4535

4545

1 ,7

4554

4564 4573

4582

4591

4599

4608

4616

4625

4633

1 ,8

4641

4649

4656

4664

4671

4678 ,4686

4693

4699

4706

1 ,9

4713

4719

4729

4782

4735

4744

4750

4756

4761

4767

3 ,0

4772

4778

4783

4788

4793

4798

4803

4803

4812

4817

3,1

4821

4826

4880

4834

4838

4842

4846

4850

4854

4867

2 ,2

4861

4864

4868

4871

4875

4878

4881

4884

4887

4890

2 ,3

4893

4896

4898

4S0I

4904

4906

4909

4911

49X3

4916

2 ,4

4918

4920

4922

4925

4927

4929

4931

4932

4934

4936

Т а б л и ц а 1У Значения величин, связанных с интегралом вероятностей

ъ

Ф'СЧ!

t 4 ( P )

f

i.

 

 

2,5

0,49879

1,960

0,95

3,0

0,49865

2,612

8,6

0,49534

2,054

0,96

3,1

0,49903

2,652

2,7

0,49653

2,170

0,97

3,2

0,49931

2,697

2,8

0,49744

2,826

0,98

3,3

0,49952

2,748

2 ,9

0,49813

2,576

0,99

3,4

0,49966

2,807

8,5

0,499767

2,878

0,996

4,3

0,499991

3,481

3,6

0,499841

2,968

0,997

4,4

0,499995

3,540

3 ,7

0,499892

3,090

0,998

4,5

0,4999966

3,615

3,8

0,499927

3,291

0,999

4,6

0,4999979

3,720

3,9

0,499952

3,320

0,9991

4,7

0,4999987

3,891

4,0

0,499968

3,353

0,9992

4,8

0,4999992

4,417

4,1

0,499979

3,390

0,9993

4,9

0,4999995

4,892

4 .2

0,499987

3,432

; 0,9994

5 ,0

0,4999997

5,327

ft

0,991

0,992

0,993

0,994

0,995

0,9995

0,9996

0,9997

0,9998

0,9999 I «КГ®

I ‘I0 b

—A*? 1*10

s

I

4

5

6

7

8

9

10 I I 13 18 14 15

 

 

 

 

Т а б л и ц а У

Распределение Стыодента. Значения t ' - ’t (ft i& )

 

 

 

 

/t

» -

 

0,98

0,95

0,98

 

0,99

0,999

 

6

2

3

4

5

8,610

3,132-

2,776

3,747

 

4,604

 

6,859

2,015

2,571

9,265

 

4,082

 

5,959

1,943

2,447

9,148

 

8,707

 

5,405

1,895

2,865

2,998

 

9,499

 

5,041

1,860

2,906

2,896

 

9,955

 

4,781

1,898

. 2,262

2,821

 

8,250

 

4,587

1,812

2,226

2,764

 

3,169

 

4,487

1,796

2,201

2,718

 

8,106

 

4,815

1,782

2,179

2,681

 

9,055

 

4,221

1,771

2,160

2,650

 

8,012

 

4,140

1,761

2,145

2,624

 

2,977

 

4,073

1,753

2,181

2,602

 

2,947

 

 

 

 

 

 

Продолжение табл. У

I

2

3

4

5

6

16

1,746

2,120

2,583

2,921

4,015

18

1,784

2,108

2,552

2,878

3,922

20

1,725

2,086

2,528

2,845

3,850

25

1,708

2,060

2,485

2,787

3,725

80

1,697

2,042

2,547

2,750

3,646

85

1,689

2,030

2,437

2,724

9,591

40

1,684

2,021

2,423

2,704

3,551

45

1,679

2,014

2,412

2,689

3,522

50

1,676

2,008

2,403

2,677

3,497

60

1,671

2,000

2,390

2,660

3,460

70

1,667

1,995

2,381

2,648

3,436

80

1,664

1,990

2,374

8,639

3,4X6

90

1,662

1,987

2,368

2,632

3,401

100

1,660

1,984

2,864

2,626

3,391

 

1,645

1,960'

2,826

2,576

3,291

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а У1

 

 

 

Коэффициенты

и Zg. для оценки

 

 

 

 

0,90

0,95

0,98

0,99

\

р

|

2*

2 ,

 

 

 

Ък

% г

К

\

 

 

 

 

 

I

2

3

4 .

5

6

7

8

9

 

4

0,649

2,370

0,599

2,870

0,549

3,670

0,519

4,390

 

5

0,672

2,090

0,624

2,453

0,576

3,004

0,546

3,484

 

6

0,690

1,916

0,644

2,202

0,597

3,623

0,569

2,979

 

7

0,705

1,797

0,661

2,085

0,616

2,377

0,588

2,660

 

8

0,718

1,711

0,675

1,916

0,630

2,205

2,604

2,440

 

9

0,729

1,645

0,688

1,826

0,644

2,076

0,610

2,277

ю

0,739

1,593

0,699

1,755

0,656

1,977

0,630

2,154

I I

0,748

1,550

0,708

1,698

0,667

1,898

0,641

2,056

12

0,755

1,515'

0,713

1,651 .

0,677

1,833

0,651

1,976

13

0,762

1,485

0,725

1,611

0,685

1,779

0,660

1,910

14

0,769

1,460

0,782

1,577

0,693

1,733

0,669

1,734

Соседние файлы в папке книги