Эксперименті жоспарлау

6.1 Эксперимент міндетін қалыптастыру

Өткен тарауларда көрсетілгендей, эксперимент алдында үш түрлі міндет қойылуы мүмкін:

- біріздендіру міндеті, яғни, экспериментті тексеру және теориялық зерттеу нәтижелерін нақтылау міндеті;

- теориялық зерттеу нәтижелерін толықтыру міндеті;

- оңтайландыру міндеті, яғни, алдыңғы теориялық зерттеусіз өзіндік дербес экспериментті зерттеу міндеті.

Міндет типінің былай бөлінуі нақты зерттеудегі нақты міндетті қалыптасуын анықтайды.

Нақты міндетті дұрыс қалыптастыру міндетті шешуден гөрі маңызды орын алып жататын кездері жиі болады.

Эксперимент міндетін нақты қалыптастыру үшін қалыптасқан жағдайды ғана емес, оны шешудің болжалды тәсілдері мен құралдарын да білу керек. қалыптасқан жағдай не алынған теориялық мәннің кемшілігінде, не түзету деңгейінде немесе оның мүлдем жоқтығында болуы мүмкін.

Көптеген классикалық зерттеулерде эксперимент ғылыми жұмыс гипотезасы қалыптастырылғаннан кейін немесе зерттелетін үдеріс, құбылыстың математикалық үлгісін теориялық зерттеу нәтижесінде әзірленгеннен кейін жүргізіледі.

Эксперимент міндеті мен оның қалыптасуы көбінесе теориялық зерттеу нәтижелеріне байланысты болады. Теориялық білім, әдетте, зерттеуші алдына қойылған мәселені не міндетті толық шеше бермейді. Теориялық зерттеуді талдау кезінде міндеттің шешілмеген элементтері анықталады, осылар эксперимент міндетінің негізін құрайды.

Біріздендіру міндетін қалыптастыру теориялық тұрғыдан зерттелген нысан параметрлерін нақты анықтаудан тұрады, ол нысан параметрлерінің дұрыстығын эксперименталды зерттеумен тексеру керек. Басқаша айтқанда, міндет теориялық зерттеу нәтижелерін тексеріп, нақтылаудан тұрады.

Теориялық тұрғыдан дәл сипаттау қиындық туғызатын немесе мүлдем мүмкін болмайтын құбылыстар, үдерістер де болады. Бұндай жағдайда теориялық зерттеу нәтижесінде математикалық үлгілеуге коэффициенттер, мәндер енгізіледі, ал оларды эксперменталды түрде (ғылымның осы саласының даму деңгейіне байланысты) ғана анықтауға болады. Мұндай математикалық үлгінің практикалық шешімі осы параметрлер мен коэффицииенттер мәнінің белгісіздігі салдарынан қиын.

Мұндай типті эксперименттің міндетін қалыптастыру осы математикалық үлгіге кіретін параметрлер мен коэффициенттерді анықтаудан байқалады.

Міндет қалыптастырылғаннан кейін экспериментті жоспарлау жүзеге асырылады.

Мысалы, топырақ қорғау топырақ өңдеу машиналарын жетілдірудің тиімді бағытын анықту мақсатында желдің топырақ бөліктерімен өзара күшті әсерінің математикалық үлгісі құрылады:

Үлгі топырақтың желдік эрозиясы орын алмайтын шекті шартты сипаттайды. Осы үлгіні жел жылдамдығына Vқос және топырақ бөлігінің диаметріне dэ қатысты шешіп, топырақ жел эрозиясына ұшырамайтын, яғни, dэ бөлігі желмен ұшып, орын ауыстырмайтын сыни мәнді анықтауға болады. Алайда, төмендегі параметрлер мәні белгісіз болғандықтан, бұл үлгіні шешу іс жүзінде мүмкін емес:

– толық аэродинамикалық күш коэффициенті;

және – топырақ пен ауаның сәйкес тығыздығы;

– топырақ бөліктерінің байланыс коэффициенті.

Бұл параметрлер мен коэффициенттерді тек экспермент жолымен ғана анықтауға болады. Эксперимент типті міндетті қалыптастырудың мәні де осында. Көптеген инженерлік зерттеулер міндеттің осы екі типіне жатады.

Алайда, техникалық ғылым саласында ғылым дамуының осы деңгейінде теориялық тұрғыдан шешу мүмкін болмайтын мәселелер де бар. Бұл жағдайда ғылыми жұмыс гипотезасы ұсынылады (әзірленеді), соған бейімделіп, оңтайландыру міндеті, мәселені эксперимент жолымен шешудің ең тиімді әдісін іздеу міндеті қалыптасады. Мұндай оңтайланған жоспар бойынша орындалған эксперимент типі болжалды теориялық зерттеусіз жүргізілетіндіктен, олардың нәтижелері жеткілікті, ал дұрыстың деңгейі жоғары болып есептеледі де, оларды балама тексеру талап етілмейді.

Эксперименттік зерттеу мәселелері мен міндеттерін қалыптастыру кезінде мақсатты функция мен тәуелсіз ауыспалыларды анықтау өте маңызды:

мұндағы: у – мақсат функциясы;

х₁ – зерттеу нысаны қызмет ететін тәуелсіз ауыспалылар (факторлар).

Егер эксперименттің оңтайландыру міндеті болса, онда мақсатты функция белгісіз регрессия коэффициенттерімен жарты номиналды теңдеу түрінде берілуі мүмкін:

Мұндағы: a, b, c, d – регрессия коэффициенттері

Мысалы, у мақсат функциясы ретінде топырақ өңдейтін машинаның жұмыс органына топырақтың шекті кедергісін таңдауға болады, тәуелсіз ауыспалылар (факторлар) ретінде х1 топырақтың тығыздығы, х2 механикалық құрамы және хэ ылғалдылығы алынады.

Фактор кезінде регрессия коэфициентімен жарты номиналды теңдеу зертеу үдерісінің қызметін сипаттайды, отклик беті атанған геометриялық бет түрінде ұсынылады.

6.2 Экспериментті жоспарлаудың негізгі қағидалары

Экспериментті жоспарлау – ғылыми-зерттеу жұмысының маңызды кезеңі, одан зерттеу нәтижесінің дұрыстық, нақтылық және тиімділік деңгейі байланысты болады. Жоспарлау математикалық аппарат негізінде жүзеге асырылады. Ол эксперимент жүргізуші еңбегінің өнімділігін, эксперимент нәтижесінің сенімділігін арттыруға, сынақ нұсқалары санын азайтуға, оңтайлы шешімге негізделеді. Ереже бойынша оңтайлы жоспар бойынша оңтайландыру параметрін қолданыстағы факторларға байланыстыратын математикалық үлгіні анықтауға арналған көпфакторлы экспериментті орындалады.

Жоспарлау келесі қағидалармен жүзеге асырылады.

Әр фактор деңгей бойынша градацияға ие. Экспериментте фактор дискретті теңдеудің белгілі бір санына ие. Әр фактор бойынша деңгейдің сәйкес жинағы сынақтағы нұсқа санын анықтайды. Егер эксперименттегі барлық фактор үшін деңгей саны бірдей болса, онда бұл эксперименттегі нұсқа саны фактор санына тең. Мәселен, Ф үш факторы және у үш деңгей кезінде олардың әрқайсысындағы сынақ нұсқасының саны n=у^ф=3³=27, бес фактордың үш деңгейі кезіндегі нұсқа саны n=у^ф=3⁵=243. Нұсқаның мұндай санымен эксперимент ұзақ және өте қымбат болады. Мұндай нұсқалар көп болған жағдайда аса маңызды еместері болады, олардан зерттеу дұрыстығы үшін оңай құтылуға болады. Мұндай нұсқаларды есептен шығару математикалық негізделеді. Экспериментті математикалық жоспарлау сынақ басқарылатын факторлар кезінде қайта қалпына келтірілетін кезде жүргізіледі.

Ауылшаруашылық өндірісін механикаландыру саласындағы зерттеулер кезінде факторлар басқарылатын, аз басқарылатын және басқарылмайтын болып бөлінеді. Мәселен, «Дон» өздігімен жүретін комбайн типінде астық дақылдарын жинау үдерісін зерттеу кезіндегі басқарылатын факторларға комбайнның қозғалысының жылдамдығы, барабаны мен барабан астындағы саңылау, барабанның айналым жиілігіжәне т.б., ал аз басқарылатын факторларға таңдалған білік қуаты, оның ылғалдылығы, егіс даласының рельефі, сабақ тұрағының биіктігі және т.б., басқарылмайтын факторларға – жауын-шашын, комбайнның істен шығуы, қоршаған орта температурасы, оператордың физикалық жағдайы және т.б. жатқызылады.

Экспериментті жоспарлаудың негізгі міндеті болып нұсқалардың оңтайлы санын негіздеу және оның жағдайының шартын таңдау табылады. Бұл жерде екі жол қарастырылады: сәйкес теңдеу немесе теңдеулер жүйесі түрінде нысанның математикалық үлгісін алуға мүмкіндік беретін зерттеу үдерісінің физикалық үлгісін жасау; бірінші жолды толықтыратын статикалық жол.

Зерттеу үдерісінің экспериментті жоспарлау деңгейінде оңтайландыру үшін оңтайландыру параметрін белгілеу керек. Кез келген зерттеу үдерісінің параметрлері көп, алайда оның ішінен оңтайландыру керек болатын біреуін таңдап алу қажет. Қалған параметрлердің барлығы мұнда шектеу ретінде қабылданады. Мәселен, жер жырту агрегатын зерттеу кезінде параметр ретінде соқаның кедергісі, жыртылған жер тереңдігі бойынша жүріс тұрақтылығы, смоқа салмағы т.б. алынуы мүмкін. Осылардың арасынан соқа кедергісін оңтайландыруға таңдап алып, қалғандарын шектеу ретінде қабылдауға болады. Егер бір параметр таңдап алу мүмкін болмаса, зерттеу нысанына тән параметрлер функциясы сияқты жалпылама параметр таңдалады.

Жоспарлаудың объективті деңгейі оңтайландыру параметрін таңдау дұрыстығына байланысты, олар келесі талаптарға жауап беру керек:

1. Әр оңтайландыру параметрінің физикалық мәні болуы керек;

2. Ол рангалы жүйеде тікелей өлшенетін немесе бағаланатын болуы керек. Егер параметрді абсолютті мәнде өлшемесек, онда оның сандық сипаты үшін рангалы бағалауды пайдаланамыз. Параметрге шкаланың таңдалған деңгейі бойынша баға (ранга) беріледі: екібалдық, бесбалдық, онбалдық және т.б. шкаланың екібалдық мәні аз қолданылады, себебі оларда бағалаудың шектеулі деңгейі болмайды (бар – жоқ, жаман – жақсы және т.б.).

3. Зерттеу нысаны үшін оңтайландыру параметрі бірдей, әмбебап болуы керек. Ол нысанды жан-жақты сипаттауы керек. Егер бірнеше парараметр болса, бастысы таңдалады да, олардың арасындағы корреляция коэффициенті қосалқы параметрлермен есептеледі. Корреляция үлкен болғанда қосалқы фактор жоспардан (сынақтан да) алынып тасталынады. Параметрдің қосалқылығын анықтау кезінде оны өлшеудің қиындық деңгейі, физикалық мәнінің нақтылығы және т.б. ескеріледі.

Параметрлер саны үлкен болғанда жалпылама параметр келесідей жолмен оңтайландырылады. Барлық параметрлер шартты түрде қабылданған шкаланы пайдаланып, іріктеледі:

Таңдаулы	Өте жақсы	жақсы	қанағаттанарлық	жаман	Өте жаман
Шкала бойынша деңгей	1,0...0,79	0,78...0,62	0,61...0,36	0,35...0,19	0,18...0,00

Жалпылама параметр

мұндағы – шкаладағы бірінші, екінші және n-жеке параметрлерге сай деңгейлер.

Тым болмағанда бір жеке параметрдің таңдаулысы өте жаман болса, жалпылама параметр нөлге теңеледі, яғни, мұндай нұсқалы эксперимент жоспарының мәні болмайды. Мәселен, топырақ өңдейтін жұмыс органдарын зерттеу кезінде тартылыс кедергісі, сенімділік, топырақты қопсыту сапасы, пласт айналымы, топырақтағы өсімдік қалдықтарды өңдеу т.б. сияқты параметрлер саны өте көп. Топырақ қорғау топырақ өңдеу органдарды сынау кезінде өсімдік қалдықтарды өңдеу сапасы параметрі болмайды, себебі бұл жұмыс органы өсімдік қалдықтарды барынша көбірек сақтап қалуы керек. Сәйкесінше, оның шкала бойындағы деңгейі нөлге тең, бұл осы параметрді қосып, эксперимент жоспарын құрудың мәні болмайтынын көрсетеді.

4. Таңдалған оңтайланған паратметр зерттеу нысанын нақты сипаттауы керек (нақтылық жеткіліксіз болғанда қайталаулар саны артады).

Таңдалған оңтайландыру параметрі көптеген ауыспалылар (факторлар) бойынша қызмет етеді. Мысалы, астықты комбайнмен жинау кезіндегі астық шығыны қозғалыс жылдамдығына, уатқыш айналысының жиілігіне, кетпеннің көлбеу бұрышына, шнек пен жатка түбінің арасындағы саңылауға, уатқыш аппарат барабаны айланысының жиілігіне, барабан соғысы мен деко арасындағы саңылауға, торкөзді реттеу және т.б. тәуелді болады.

Экспериментті математикалық жоспарлау кезінде басты факторлар ескерілуі керек, себебі барлық факторларды бір мезгілде есептеу кезінде эксперименттің нақтылығына қол жеткізу мүмкін емес, зерттеу нәтижесінің нақтылық деңгейі зардап шегеді.

Әр фактор өз көрсеткіші бойынша бағаланады. Фактор көрсеткіштері сандық және сапалық болуы мүмкін.

Экспериментті жоспарлау кезінде таңдалатын факторлар келесі талаптарға дауап беретін болуы керек:

1. Басқарылатын. Эксперимент үдерісінде таңдалған барлық факторлар басқарылатын болуы керек, бұл паратметрлердің әрқайсысының мәні эксперимент жүргізушінің пікірі бойынша сынақтың бір нұсқасынан екіншісіне өткенде, мәселен, жер жырту тереңдігі, топыраққа жұмыс органының кіру бұрышы, еріту бұрышы кезінде тез өзгеретін болуы керек. Бұл паратметрлер тез реттеліп отырады.

2. Бірмәнділік. Эксперименттің оңтайлы жоспарына кіретін барлық факторлар бірмәнді болуы керек. Басқа факторларға байланысты болатын көпмәнді факторлардың болуына жол беріледі, бірақ бұл кезде олардың байланыс заңдылығы белгілі болуы керек. Мәселен, агрегат өнімділігін арттыру жолдарын анықтау бойынша экспериментті жоспарлау кезінде пагрегат қозғалысының ждылдамдығы сияқты фактор күрделі, трактор қуатыныңна тәуелді болып табылады. Алайда, төмендегі тәуелділік белгілі болғандықтан, оны жоспарлауға болады:

(формула).

3. Факторлардың сәйкестігі. Экспериментті жоспарлау кезінде жоспарға енгіңзілген факторлардың барлық комбинациясы экспериментті орындау кезінде іске асырылатын болуы керек. Мысалы, комбайн жұмысы режимін оңтайландыру бойынша экспериментті орындау кезінде факторлармен жоспарланған барлық комбинациялар орындалатындай болып таңдалуы керек.

4. Факторлардың тәуелсіздігі. Эксперименттің оңтайлы жоспарына енгізілген факторлар арасында тік сызықты байланыс болмауы керек. Тек қисық сызықты байланысқа жол беріледі, тек ол белгілі және зерттеу нәтижесін талдау кезінде ескерілетін болуы керек.

5. Өлшеу нақтылығы. Эксперимент жоспарына енгізілген факторлар нақты өлшенетін болуы керек, себебі олар зерттеу нәтижесінің жоғары деңгейлі дұрыстығын негіздейді.