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

MODELIROVANIE_metodichka

.pdf
Скачиваний:
218
Добавлен:
02.04.2015
Размер:
1.11 Mб
Скачать

Порядок опытов рандомизировали посредством таблицы слу- чайных чисел, что исключает влияние неконтролируемых пара- метров на результаты эксперимента. Опыты в каждой точке мат- рицы выполняли два раза.

В результате статистической обработки эксперименталь- ных данных получены уравнения регрессии, адекватно описы- вающие при 5-ти % уровне значимости зависимости сопротивле- ния сдвигу вафельного листа относительно начинки y1 и удельно- го усилия резания вафель y2 от изучаемых факторов:

y1 = 2,0 + 0,04X1 + 0,076X 2 + 0,018X1 X 2

+

+ 0,0008X12 − 0,009X 22 ;

 

 

(20)

 

 

 

y2 =1,74 + 0,0128X1 − 0,3X 2 + 0,13X1 X 2

− 0,0088X12 − 0,215X 22.

 

 

(21)

 

 

 

В канонической форме уравнение регрессии (20) после пре-

образования принимает вид

 

 

 

Y = 1,81 + 0,01Z 2 − 0,0096Z 2 .

(22)

1

1

2

 

Поскольку канонические коэффициенты

B11

и B22 , входя-

щие в уравнении (22) имеют разные знаки, то поверхность откли- ка, описываемая уравнением (20), представляет собой гиперболи- ческий параболоид с характерной центральной точкой «мини-

макс»,

в которой функция

отклика

принимает

значение

Ys = 1,81

кПа. Координаты

центра

поверхности

отклика

X1s = −5,91 и X 2s = −1,7 находятся на значительном удалении от

области эксперимента. Двумерные сечения поверхности отклика, представленные в виде линий равного уровня y1 = const для об-

ласти эксперимента

−1,41 ≤ Х1 ≤ +1,41 и

−1,41 ≤ Х2 ≤ +1,41

,

имеют вид парабол (рис. 5).

 

 

 

Уравнение регрессии (21) в канонической форме имеет вид

 

Y = 1,702 + 0,0098Z 2 − 0,232Z 2 .

(23)

2

1

2

 

 

180

Поскольку канонические коэффициенты B11 и B22 в урав-

нении (23) имеют разные знаки, то поверхность отклика, описы- ваемая уравнением (21), представляет собой гиперболический параболоид с характерной центральной точкой «минимакс», в которой функция отклика принимает значение Ys = 1,702 кПа.

Координаты

центра поверхности отклика X1s = 3,589 и

X2s = 0,384

находятся на значительном удалении от центра экс-

перимента. Двумерные сечения поверхности отклика, представ- ленные в виде линий равного уровня y2 = const для области экс- перимента -1,41 £ Х1 £ +1,41 и -1,41 £ Х2 £ +1,41 имеют вид па-

рабол (рис. 6).

Задачу оптимизации решали в три этапа.

На первом этапе для поиска оптимальных параметров X1 и X 2 задачу оптимизации сформулируем так: необходимо найти такие значения независимых переменных X1 и X 2 , обеспечи- вающих условный экстремум (максимум) функции отклика y1 = f1(X1, X2 ), т. е. максимум сопротивления сдвигу вафельного листа относительно начинки. Значения независимых переменных X1 и X 2 при этом не должны выходить за область эксперимента,

границы которой определяются значениями факторов в звездных точках. Указанное ограничение аналитически может быть запи-

сано в виде выражения

ϕ(X1, X2 ) = X12 + X 22 = ρ 2 ,

(24)

что в факторном пространстве (для случая двух независимых пе- ременных) представляет собой сферу с центром в центре экспе- римента и с радиусом ρ.

Таким образом, постановка задачи оптимизации аналитиче-

ски записывается как

ìy = 2,0 + 0,04X

1

+ 0,076X

2

+ 0,018X

1

X

2

+

 

ï

1

 

 

 

 

.

(25)

í+ 0,0008X12

- 0,009X 22 ® max,

 

 

 

ï

 

 

2

2

 

2

.

 

 

 

 

 

î

 

X1

+ X 2 = ρ

 

 

 

 

 

 

181

 

 

 

Дозировка экструдата Х1

 

 

 

 

 

 

 

2,02

2,04

2,06

 

 

 

 

 

 

2

2,0

 

 

 

 

Х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нутовой

 

 

 

 

 

1,98

 

 

 

 

 

 

 

 

 

муки

 

 

 

 

 

1,96

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дозировка

 

 

 

 

 

1,94

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,92

1,90

1,88

Рис. 5. Линии равного уровня сопротивления сдвига

вафельного листа относительно начинки y1 (числа на кривых значения сопротивления сдвига, кПа)

169

Дозировка экструдата Х1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,4

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,5

Х

 

 

 

 

 

 

 

 

нутовой

 

 

 

 

 

 

 

 

1,7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,6

муки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дозировка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,9

1,8

1,7

1,6

Рис. 6. Линии равного уровня удельного усилия

резания вафель y2 (числа на кривых значения удельного усилия резания, кН/м)

Поставленную задачу оптимизации (25) решим, используя метод неопределенных множителей Лагранжа. Для этого соста-

вим целевую функцию вида

F(X1, X2 ) = y1(X1, X2 )+ λϕ(X1, X2 ),

(26)

где λ – неопределенный множитель Лагранжа.

С учетом уравнения регрессии (20) и ограничение (24), ко- торое накладывается на независимые переменные, целевую функцию (26) представим как

 

F(X1, X 2 )= 2,0 + 0,04X1 + 0,076X 2

+ 0,018X1 X 2 +

(27)

 

+ 0,0008X12 - 0,009X 22 + λ(X12 + X 22 - ρ 2 ).

 

 

 

Дифференцируя уравнение (27) по переменным X1 ,

X 2 и

λ, составим систему уравнений

 

 

ì

F(X1, X 2

)

= 0,04

+ 0,018X 2 + 0,0016X1

+ X1 = 0,

 

ï

X1

 

 

ï

,λ)

 

 

 

 

 

 

 

ï

F(X1, X 2

= 0,076 + 0,018X1 - 0,018X 2

+ X 2 = 0, .

(28)

í

X 2

 

ï

F(X

, X

 

)

 

 

 

ï

 

 

= X12 + X 22 - ρ 2 = 0.

 

ï

 

 

1

 

2

 

 

î

 

 

λ

 

 

 

 

 

Для решения системы уравнений (28) с последующим вы-

числением значения функции отклика по уравнению регрессии (20) воспользуемся интегрированным математическим пакетом MAPLEW 8. Расчет проводим при изменении радиуса сферы в диапазоне от 0,8 до 1,6 с интервалом 0,2. Выбор диапазона 0,8 ≤ ρ ≤1,6 обусловлен тем, что y1 ® max при X1, X 2 ® max .

Результаты вычислений представлены в табл. 4.

169

 

 

Результаты оптимизации

Таблица 4

 

 

 

№ шага

ρ

X1

X2

λ

y1, кПа

1

0,80

0,46

0,65

-0,056

2,07

2

1,0

0,61

0,79

-0,045

2,08

3

1,2

0,74

0,94

-0,038

2,106

4

1,4

0,89

1,07

-0,033

2,125

5

1,6

0,99

1,12

-0,011

2,230

Как видно из результатов оптимизации (см. табл. 4) даль- нейшее продвижение по поверхности отклика, хотя и приводит к возрастанию параметра оптимизации, является невозможным, так как значения факторов выходят за границы области эксперимен- та. В связи с чем оптимальными значениями независимых пере- менных следует признать X1 = 0,89 и X 2 =1,07 , при которых

достигается условный экстремум (максимум) функции отклика y1 = 2,125 кПа.

На втором этапе для поиска оптимальных параметров X1 и X 2 задачу оптимизации сформулируем так: необходимо найти такие значения независимых переменных X1 и X 2 , обеспечи- вающих условный экстремум (минимум) функции отклика y2 = f2 (X1, X2 ), т. е. удельного усилия резания вафель. Значения независимых переменных X1 и X 2 при этом не должны выхо-

дить за область эксперимента, границы которой определяются значениями факторов в звездных точках.

По аналогии с условием (25) аналитически представим по-

становку задачи оптимизации

ìy =1,74 + 0,0128X

1

- 0,3X

2

+ 0,13X

1

X

2

-

ï

1

 

 

 

 

 

 

(29)

í- 0,0088X12

- 0,215X 22

® min,

 

 

 

ï

 

2

 

2

= ρ

2

.

 

 

 

 

 

î

 

X1 +

X 2

 

 

 

 

 

 

 

С учетом уравнений (21) и (24) составим целевую функцию

170

 

 

F(X1, X 2 )=1,74 + 0,0128X1 − 0,3X 2 + 0,13X1 X 2

(30)

 

 

- 0,0088X12 - 0,215X 22 + λ(X12 + X 22 - ρ 2 ).

 

 

 

 

 

 

 

Дифференцируя уравнение (30) по переменным

X1 ,

X 2 и

λ, составим систему уравнений

 

 

ì

F(X1, X 2 )

= 0,0128

+ 0,13X 2 - 0,0176X1 + X1 = 0,

 

ï

 

X1

 

ï

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ï

 

F(X1, X 2 )

= -0,3

+ 0,13X1 - 0,43X 2 + X 2 = 0,

.

(31)

í

 

 

 

 

X 2

 

ï

 

(X

, X

 

)

 

 

 

ï

 

F

 

= X12 + X 22 - ρ 2 = 0.

 

 

ï

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

î

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

Систему уравнений (31) решаем при значении радиуса сфе- ры 1,41 (табл. 5). При этом для каждого фиксированного значе- ния ρ получаем несколько решений, поскольку поверхность от- клика имеет вид гиперболического параболоида. Выбор ρ =1,41

обусловлен тем, что по условию задачи оптимизации y2 ® min . Это достигается при X1 ® min и X 2 ® max , что следует из рас-

смотрения регрессионных коэффициентов, стоящих при линей- ных членах уравнения (21).

 

 

Результаты оптимизации

Таблица 5

 

 

 

№ шага

ρ

X1

X2

λ

y1, кН/м

1

1,41

-1,106

-0,88

-0,037

1,938

2

1,41

1,38

-0,306

0,0186

1,757

3

1,41

0,63

1,265

0,129

1,676

4

1,41

-0,29

1,38

0,337

0,856

Как видно из результатов оптимизации (см. табл. 5), оп- тимальными значениями независимых переменных следует при- знать результаты, полученные на 4 шаге X1 = -0,29 и X 2 =1,38 ,

при которых достигается условный минимум функции отклика y2 = 0,856 кН/м.

171

Следующим этапом оптимизации явился поиск оптималь- ных значений переменных X1 и X2 , при которых достигается

максимум y1 при некотором заданном значении y2.

Для решения поставленной задачи воспользуемся методом неопределенных множителей Лагранжа. При этом будем искать

условный максимум функции отклика

 

y1 = f1(X1, X2 ) при огра-

ничениях, накладываемых другой функцией

y2 = f2 (X1, X2 ) и

областью эксперимента ϕ(X1, X2 ) = X12 + X 22 = ρ 2 .

 

 

 

Для этого составим целевую функцию

 

 

 

 

 

F(X1, X2 12 ) = y1(X1, X 2 )+ λ1y2 (X1, X 2 )+ λ2ϕ(X1, X 2 ).

(32)

С учетом уравнений (20), (21) и ограничения (24) целевую

функцию (32) представим как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(X1, X 2 12 ) = 2,0 + 0,04X1 + 0,076X 2 + 0,018X1 X 2 +

 

 

+ 0,0008X

2

- 0,009X

2

+ λ (1,74 + 0,0128X

1

- 0,3X

2

+

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

(33)

 

+ 0,13X1 X 2 - 0,0088X12 - 0,215X 22 - y2 )+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ λ2 (X12 + X 22 - ρ2 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дифференцируя уравнение (33) по переменным X1 ,

X 2 , λ1

и λ2, составим систему уравнений:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ì

F(X

 

, X

 

,λ λ )

= 0,04 + 0,018X 2 + 0,0016X1 +

 

 

ï

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

1 2

 

 

ï

 

 

 

 

X1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 )+ 2 X1 = 0,

 

 

 

ï

+ λ1 (0,0128 + 0,13Х 2 - 0,0176Х

 

 

 

ï

F(X

, X

 

,λ ,λ

 

 

)

= 0,076 + 0,018X1

- 0,018X 2 +

 

 

 

ï

1

 

2

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

ï

 

X 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ï+ λ (- 0,3 + 0,13Х

1

- 0,43Х

2

2

X

2

= 0,

 

 

 

 

 

ï

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

(34)

í

F(X

, X

 

,λ ,λ

 

 

)

= 1,74 + 0,0128X1

 

 

 

 

 

ï

1

 

2

 

 

1

 

 

2

 

 

- 0,3X 2 + 0,13X1 X 2 -

 

ï

 

λ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ï

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ï- 0,0088X12 - 0,215X 22 - y2 = 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ï

 

 

F

(X

 

 

, X

 

,λ ,λ

 

)

= X12

+ X 22 - ρ 2 = 0.

 

 

 

ï

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

1

 

2

 

 

 

 

ï

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ï

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

î

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

172

Ранее установлено, что одновременно y1 → max и y2 → min при значении радиуса сферы ρ = 1,41, поэтому поиск

условного экстремума проводим при указанном значении ρ. Сис- тему уравнений (34) решаем при изменении значения функции отклика y2 в диапазоне от 1,6 до 1,0 с интервалом 0,2 (табл. 6).

 

 

Результаты оптимизации

 

Таблица 6

 

 

 

 

№ шага

ρ

X1

X2

λ1

λ2

y1, кПа

y2кН/м

1

1,41

-1,39

0,2

0,095

0,17

1,955

1,6

2

1,41

-1,3

0,53

0,09

0,02

1,97

1,4

3

1,41

-1,14

0,82

0,11

0,03

1,99

1,2

4

1,41

-0,87

1,1

0,17

0,05

2,02

1,0

Как видно из результатов оптимизации (см. табл. 6) наи-

лучшими ( y1 → max и

y2 → min ) следует признать результаты,

полученные на 4-м шаге. В связи с чем оптимальными значения- ми независимых переменных следует признать X1 = −0,87 и X2 = 1,1, при которых достигается условный экстремум функции отклика y1 = 2,02 кПа.

Переходя к натуральным переменным, имеем оптимальные значения дозировок экструдата x1 (%) и муки нутовой x2 (%) (табл. 7).

 

 

 

 

Таблица 7

 

Оптимальные режимы приготовления вафель

Дозировка

 

Дозировка

Сопротивление сдви-

Удельное усилие

 

га вафельного листа

экструдата

 

муки нутовой

резания вафель

 

относительно начин-

x1, %

 

x2, %

y2, кН/м

 

ки y1, кПа

13,83

 

92,28

2,02

1,0

Следующим этапом работы явилась экспериментальная проверка найденных оптимальных параметров и оценка степени точности и надежности полученных значений параметров опти- мизации.

При оптимальных значениях x1 = 13,83 %; x2 = 92,28 % бы- ли изготовлены образцы изделий (n = 10 шт.), для которых опре- деляли сопротивление сдвига вафельного листа относительно на-

173

чинки y1 и удельное усилие резания вафель y2. В табл. 8 пред- ставлены средние арифметические значения указанных парамет- ров yэ и дисперсии S2, полученные по результатам 10-ти парал- лельных опытов.

Как видно из табл. 8, расчетные и экспериментальные зна-

чения параметров оптимизации несколько отличаются друг от друга. Для того, что бы эти различия признать несущественными и объяснить только случайной ошибкой, была выдвинута нуль- гипотеза о том, что расчетные и экспериментальные значения

каждого параметра оптимизации принадлежат к одной и той же генеральной совокупности.

Для проверки выдвинутой нуль-гипотезы воспользуемся распределением Стьюдента. При этом для каждого параметра оп-

тимизации вычисляем расчетное значение критерия Стьюдента (см. табл. 8)

tр =

yэ yр

 

 

 

 

n .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S 2

Сравнение каждого значения tр с табличным значением критерия Стьюдента tт = 2,29 (при числе степеней свободы f = 9 и принятой доверительной вероятности γ = 95 %), показывает для каждого параметра оптимизации выполняется условие tр < tт .

Это указывает на то, что выдвинутая нуль-гипотеза может быть принята, т. е. различия между расчетным и экспериментальным

значениями каждого параметра оптимизации следует признать несущественными (с доверительной вероятностью 95 %) и объяс- нить только случайной ошибкой.

Ошибку предсказания значения параметра оптимизации δ

определяли по формуле

δ =

t

т

S 2

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

n

174

Результаты вычислений по каждому параметру оптимиза- ции представлены в табл. 8 в виде доверительных интервалов

yр ± δ при принятой доверительной вероятности γ = 95 %.

 

 

 

Результаты оптимизации

 

Таблица 8

 

 

 

 

 

 

 

Значение

 

р

 

 

 

 

 

параметра

 

t

 

 

Доверительный интервал

Параметр оптимизации

Расчетноеy

Эксперимен- тальноеy

Дисперсия S

Расчетноезначение Стьюдентакритерия

 

Ошибкаδ

 

 

оптимизации

 

 

 

 

 

 

 

р

э

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопротивление

 

 

 

 

 

 

 

сдвига

вафель-

 

 

 

 

 

 

1,97÷2,07

ного листа отно-

2,02

2,063

0,0046

2,00

 

0,049

сительно

начин-

 

 

 

 

 

 

 

ки y1, кПа

 

 

 

 

 

 

 

Удельное усилие

 

 

 

 

 

 

0,951÷1,05

резания

вафель

1,0

1,045

0,0045

2,12

 

0,049

y2, кН/м

 

 

 

 

 

 

 

 

Как видно из результатов табл. 8, экспериментальные зна- чения параметров оптимизации не выходят за границы соответст- вующих доверительных интервалов, полученных расчетным пу- тем, что указывает на достоверность и надежность полученных результатов.

175

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]