- •Ю.В.Захаров Математическое моделирование
- •Введение
- •1. Основные сведения из теории вероятностей и
- •1.1. Случайные величины. Выборка
- •1.2. Законы распределения случайных величин
- •Экспоненциальный закон распределения
- •Hормальный закон распределения (hзр)
- •1.3. Числовые характеристики случайных величин Характеристики положения
- •Характеристики рассеяния
- •1.4. Статистическая проверка гипотез
- •Гипотеза о равенстве дисперсий
- •Гипотеза об однородности дисперсий
- •Гипотеза о равенстве средних
- •Гипотеза о законе распределения случайной величины
- •1.5. Ошибки измерения физических величин и методы
- •Случайные, систематические и грубые ошибки
- •Методы исключения резко выделяющихся результатов эксперимента
- •Табличные значения критерия Романовского
- •2. Выбор наиболее существенных факторов объекта
- •2.1. Метод экспертных оценок
- •Матрица рангов параметров
- •Сумма рангов и коэффициент весомости
- •Сводные результаты экспертизы
- •2.2. Метод начальных моментов
- •2.3. Дисперсионный анализ
- •Общая постановка и решение задачи да
- •Однофакторный да
- •3. Математическое моделирование в технологии
- •3.1. Методы математического моделирования
- •3.2. Пассивный эксперимент для мм
- •3.2.1. Регрессионный анализ.
- •Примеры.
- •3.2.2. Метод экспоненциального сглаживания
- •3.2.3. Корреляционный анализ.
- •3.2.4 Оценка адекватности мм.
- •3.3. Активный эксперимент для мм
- •3.3.1. Вид и алгоритм построения математической модели
- •3.3.2. Полный факторный эксперимент типа 2k.
- •Проверка воспроизводимости эксперимента
- •Вычисление коэффициентов модели.
- •Примеры вычислений коэффициентов пфэ 22
- •Проверка значимости коэффициентов модели.
- •Проверка адекватности модели.
- •Анализ и синтез тп по полученной модели.
- •Получение математической модели с учетом взаимодействий факторов.
- •3.3.3. Дробный факторный эксперимент.
- •В записи плана дфэ 2k-p p означает количество взаимодействий факторов приравненным независимым переменным. Дфэ 23-1 – половина пфэ 23, т.Е. Полуреплика от пфэ 23.
- •3.3.4. Математические модели второго порядка.
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Содержание введение
- •Заключение
- •Литература
2.2. Метод начальных моментов
Мерой нестабильности фактора, определяющего показатель качества электронного средства, является значимое расхождение его среднего значения m или дисперсии S2 (или обоих этих показателей совместно) от базовых величин и . Поэтому, если получить количественную характеристику , показывающую степень значимости расхождения средних значений m и с учетом S2 и , то ее можно использовать для выбора информативных факторов, т. к. известно, что нестабильные факторы несут больше информации об объекте эксперимента, чем стабильные.
В качестве основы получения величины предлагается t – критерий Стьюдента. Математический аппарат данного критерия рассмотрен в параграфе 1.4 пособия при проверке гипотезы о равенстве средних m1 и m2.
Алгоритм метода
1. По результатам контроля показателя качества y все изделия делятся на два класса (соответствующие и несоответствующие требованиям нормативно – технической документации или по уровню качества: отличные и хорошие; отличные и удовлетворительные и т. д.).
2. Вычисляются выборочные средние значения и дисперсии каждого исследуемого фактора для 1 и 2 классов:
(6) ; , (7)
где - измеренное значение i – го фактора у j –го изделия, принадлежащего k –му классу; i = 1, 2, …, M, M – число факторов; j = 1, 2, …, nk, nk – число изделий в k – м классе; k =1, 2 – номер класса.
3. Проверяется гипотеза о равенстве дисперсий для каждого i – го фактора на основе F – критерия Фишера (см. параграф 1.4 пособия).
4. Вычисляются расчетные значения исследуемых факторов. Выбор формулы для вычисления зависит от результатов, полученных в п.3 (см. параграф 1.4 пособия).
5. Определяются табличные значения .
6. Отбираются факторы, для которых выполняется неравенство .
7. Для отобранных факторов находится коэффициент весомости и осуществляется их упорядоченность по степени убывания значения , т. е. в порядке убывания их информативности.
Пример. Одним из основных параметров электронно-лучных приборов – вычитающих потенциалоскопов – является динамический диапазон Д, величина которого зависит от качества изготовления мишени, экранной и барьерной сеток и контактного соединения вывода коллектора с аквадагом. В производственных условиях оценка динамического диапазона готовых приборов осуществляется визуально по осциллограммам. Способ измерения и выбор рабочей зоны мишени для измерения вносят в конечный результат элементы субъективизма, что не позволяет получить достоверную информацию по данному параметру в процессе контроля. Поэтому ставится задача найти дополнительные показатели качества изготовления приборов при высокой точности измерения. В дальнейшем эти показатели явятся информационной основой для статистического контроля и управления качеством потенциалоскопов на стадии производства по параметру Д.
Вследствие низкой точности результатов измерения величины Д для решения поставленной задачи нельзя применить известный метод, основанный на вычислении коэффициентов корреляции между основным параметром - Д и параметрами, задающими его величину. Рассмотрим применение метода начальных моментов.
На основе анализа физических процессов работы прибора для исследования были выбраны восемь параметров, задающих величину Д:
емкость между сигнальной пластиной и экранной сеткой x1 (pF);
емкость между сигнальной пластиной и барьерной сеткой x2 (pF);
емкость между сигнальной пластиной и коллектором x3 (pF);
емкость между экранной и барьерной сетками x4 (pF);
емкость между экранной сеткой и коллектором x5 (pF);
емкость между барьерной сеткой и коллектором x6 (pF);
ток экранной сетки x7(μΑ);
ток барьерной сетки x8 (μΑ);
Результаты измерений потенциалоскопов по перечисленным параметрам приведены в табл.8 (годные приборы) и табл.9 (негодные).
Таблица 8
Номер при- бора |
x1 |
x2 |
x3 |
x4 |
x5 |
x6 |
x7 |
x8 |
1 |
76 |
260 |
7 |
101 |
4 |
4 |
3 |
2,5 |
2 |
70 |
256 |
8 |
100 |
5 |
5 |
2,5 |
2,5 |
3 |
80 |
260 |
7 |
110 |
7 |
3,5 |
2 |
2 |
4 |
83 |
260 |
7 |
125 |
5 |
6 |
4 |
1,5 |
5 |
74 |
242 |
6 |
110 |
5 |
6 |
2 |
2 |
6 |
60 |
240 |
6 |
91 |
7 |
5 |
2 |
2 |
7 |
70 |
250 |
6 |
100 |
3 |
5 |
1,5 |
1,5 |
8 |
72 |
260 |
5 |
100 |
5 |
4,5 |
2,5 |
1,8 |
9 |
75 |
253 |
9 |
93 |
5,5 |
4,5 |
1,8 |
2 |
10 |
62 |
255 |
8 |
107 |
2,5 |
3 |
2 |
1,5 |
11 |
74 |
265 |
5,5 |
80 |
5,5 |
7,5 |
1,5 |
0,2 |
12 |
70 |
245 |
4,5 |
121 |
7 |
4 |
2 |
1,5 |
13 |
73 |
260 |
8 |
111 |
6 |
6 |
3 |
1 |
14 |
82 |
260 |
4,5 |
101 |
6 |
7 |
1,5 |
1,5 |
15 |
80 |
240 |
6 |
121 |
4,3 |
6 |
2 |
2,5 |
16 |
67 |
260 |
6,8 |
121 |
2,5 |
4 |
1 |
0,5 |
17 |
76 |
270 |
7,5 |
86 |
3,3 |
6 |
2,5 |
2 |
18 |
67 |
250 |
8,3 |
107 |
6 |
8,5 |
0 |
1,2 |
19 |
7 |
251 |
6 |
90 |
3,5 |
4,3 |
1,8 |
0,5 |
20 |
75 |
260 |
5 |
114 |
4 |
6,5 |
2, |
2,5 |
21 |
61 |
254 |
8 |
122 |
3,6 |
7,5 |
3 |
2,8 |
22 |
92 |
260 |
8 |
82 |
4 |
4,7 |
2 |
2 |
23 |
74 |
271 |
5 |
140 |
8 |
8 |
3 |
2 |
24 |
71 |
242 |
4 |
106 |
3 |
3,5 |
2 |
2 |
25 |
76 |
270 |
6 |
91 |
8 |
6 |
2 |
2,5 |
26 |
71 |
263 |
7 |
101 |
4 |
4 |
2 |
2 |
27 |
72 |
267 |
8 |
100 |
4,5 |
6 |
2 |
2 |
28 |
71 |
268 |
3,5 |
112 |
3,4 |
4 |
2 |
2 |
Таблица 9
Номер при- бора |
x1 |
x2 |
x3 |
x4 |
x5 |
x6 |
x7 |
x8 |
1 |
73 |
263 |
2,3 |
112 |
0 |
4 |
18 |
3,5 |
2 |
70 |
250 |
1 |
100 |
3 |
6 |
25 |
7,5 |
3 |
75 |
250 |
6 |
92 |
6 |
7 |
2 |
5 |
4 |
60 |
250 |
8 |
89 |
6 |
7 |
3 |
2 |
5 |
40 |
271 |
6 |
50 |
1,5 |
10 |
0 |
2,5 |
6 |
70 |
250 |
6 |
113 |
4,5 |
4,5 |
11 |
4 |
7 |
80 |
260 |
3 |
103 |
3,5 |
5 |
5 |
1,2 |
8 |
71 |
250 |
3,5 |
103 |
5 |
4,5 |
22 |
5 |
9 |
60 |
240 |
2 |
93 |
3,5 |
5 |
25 |
6 |
10 |
74 |
280 |
2 |
103 |
2,5 |
5,5 |
5 |
1,5 |
11 |
70 |
260 |
4 |
113 |
1,5 |
3 |
25 |
5 |
12 |
76 |
278 |
3 |
111 |
2 |
1 |
5 |
0,8 |
13 |
88 |
269 |
4 |
130 |
1,5 |
2,5 |
8 |
1 |
14 |
84 |
273 |
4 |
124 |
2,5 |
2 |
6 |
1 |
15 |
75 |
240 |
7 |
104 |
7,5 |
11 |
1 |
8 |
Выборки годных и негодных приборов были взяты случайным образом из партии качественной и бракованной продукции по динамическому диапазону.
Была осуществлена проверка закона распределения параметров по критерию согласия Колмогорова (см.п.1.4), а также проверка их статистической независимости (см.п.3.2.3) при =0,01 с использованием данных табл.8. Результаты расчетов показали, что все параметры имеют нормальный закон распределения, а статистическую связь между ними можно считать незначимой.
Таким образом, предпосылки применения t-критерия Стьюдента и F-критерия Фишера в данной задаче выполняются.
В табл.10 приведены результаты расчетов величин m и s2 отдельно для данных табл.8 и табл.9 по формулам (6) и (7), величин F по формуле (1) , значений t по выражению (3) для параметров xi, i=2,3,4,5 и по выражению (2) для параметров xi, i=1,6,7,8, а также приведены значения t табл.. Расчеты проводились при k=1, 2; М=8; n1=28; n1=15.
Таблица 10
Величина |
x1 |
x2 |
x3 |
x4 |
x5 |
x6 |
x7 |
x8 |
m1 |
73 |
256,86 |
6,45 |
105,11 |
4,84 |
5,36 |
209 |
1,79 |
m2 |
71,07 |
258,93 |
4,12 |
102,67 |
3,37 |
5,2 |
1073 |
3,6 |
s12 |
45,7 |
84,13 |
2,13 |
197,43 |
2,51 |
2,15 |
0,53 |
0,42 |
s22 |
129,61 |
170,5 |
4,21 |
339,17 |
4,3 |
7,6 |
90,35 |
5,83 |
F |
2,84 |
2,03 |
1,98 |
1,72 |
1,71 |
3,53 |
170,47 |
13,88 |
t |
0,6 |
0,61 |
4,32 |
0,49 |
2,6 |
0,21 |
3,51 |
2,85 |
tтабл |
2,086 |
2,02 |
2,02 |
2,02 |
2,02 |
2,093 |
2,145 |
2,131 |
Табличное значение Fтабл=f(, 1, 2) при =0,05 и 1 =14, 2 =27 равно 2,4. С учетом выражения (5) табличное значение tтабл для параметров xi, i=2,3,4,5 при =0,05 и 1 = 41 равно 2,02. Для параметров xi, i=1,6,7,8 число степеней свободы определялось по выражению (4) и составило 20; 19; 14 и 15. При =0,05 значения tтабл для данных параметров равны соответственно 2,086; 2,093; 2,145; 2,131.
Условию tрасч > tтабл удовлетворяют параметры x3 , x5, x7 и x8. Значения величин для них равны: 3=2,14; 5=1,29; 7=1,64; 8= 1,34 и их ряд в порядке убывания информативности имеет вид: х3, х7, х8, х5.
Таким образом, параметры х3, х5, х7, х8 имеют значимое расхождение средних значений для выборок годных и негодных приборов по динамическому диапазону и поэтому они являются наиболее информативными в системе управления качеством потенциалоскопов.