Общая методика проведения исследований охватывает вест цикл проведения научно-исследовательских работ (НИР). НИР включает в себя следующие виды работ:
1 Обоснование. На данном этапе проводятся маркетинговые исследования, патентные исследования. Разрабатывается техническое задание на проведение НИР, приводится его технико-экономическое обоснование. Составляется программа НИР. Если исполнитель и заказчик представляют разные организации, то составляется договор или контракт с указанием стоимости проведения работ.
Программа НИР в зависимости от пожелания заказчика может включать в себя следующие этапы:
2 Техническое предложение с разработкой электронной (по сути математической) модели и методикой проведения анализа данной модели (подробно рассматривается в 6 разделе). На стадии технического предложения, также могут быть приведены результаты эксперимента или анализа модели (с оформлением соответствующего протокола).
3 Эскизный проект. Обязательно включает в себя этап проведения испытаний или анализа модели. На данном же этапе разрабатывается эскизная конструкторская документация.
4 Завершается НИР техническим проектом с выдачей окончательного результата проведенных экспериментально-теоретических исследований.
2 и 3 пункт не являются обязательными при проведении НИР и по желанию заказчика проведения работ могут быть исключены из исследований. Подробно порядок проведения НИР приведен в ГОСТ 15.101-98.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Общими вопросами моделирования технических систем и объектов занимаются философия, математика и физика. Модели могут быть физическими и математическими. При математическом моделировании модель и оригинал могут иметь одинаковую и различную физическую природу. В первом случае какое-либо явление или процесс исследуются на основе их математической модели, представляющей собой систему уравнений с соответствующими условиями однозначности. Во-втором- используют факт одинакового по внешней форме математического описания явлений различной физической природы. В теории теплообмена и гидромеханике широко применяются методы аналогий – электротепловой, электрогидродинамической, магнитогидродинамической и др. Подробно вопросы формализованного математического описания исследуемых объектов рассмотрены в разделе 1.2 «Оптимизационные задачи электроэнергетики» (Костин В.Н.). В целом вопросы моделирования динамических режимов различного электрооборудования (например: динамические режимы работы ключей, схема терморезистора для динамического режима измерений) широко освещены в литературе и находятся в свободном доступе. Также для моделирования динамических режимов создан ряд программных продуктов (например: Simulink). Недостатком является то, что при использовании стандартных моделей электрооборудования исследователь должен иметь чёткое представление о принципах построения используемой им модели, о принятых допущениях при её построении, об особенностях используемого математического аппарата. В противном случае, может оказаться так, что используемая стандартная модель не подходит под уровень задач исследования и слишком сильно упрощает исследуемый объект. Таким образом, проведенные исследования окажутся недостоверными.
Как метод экспериментального исследования моделирование основано на создании физической модели исследуемого объекта.
Физическое моделирование — это метод экспериментального изучения различных физических объектов или явлений, основанный на использовании модели, имеющей ту же физическую природу, что и изучаемый объект. Любая экспериментальная установка является физической моделью какого-либо процесса. Создание экспериментальных установок и обобщение результатов физического эксперимента осуществляется на основе теории подобия, которая позволяет переносить результаты модельных исследований на оригинал.
В физическом моделировании можно выделить два подхода: метод полного моделирования и метод частичного моделирования. При частичном моделировании воспроизводятся отдельные свойства объекта или выполняемых им функций.
Разработка программы проведения эксперимента.
Проведение эксперимента
Эксперимент – это активный целенаправленный метод изучения явлений в точно фиксированных условиях их протекания, которые могут воссоздаваться и контролироваться самим исследователем.
Основной задачей любого эксперимента является не только получение неизвестных ранее сведений об объекте исследования, но и достоверное установление закономерностей его поведения в изменяющихся условиях, совпадающих с условиями его функционирования. С помощью эксперимента могут быть получены данные для получения математических моделей. В зависимости от особенностей объекта и поставленных целей экспериментальные исследования могут проводиться в различных условиях. При этом существуют различные виды испытаний.
Выделяются следующие виды эксперимента: 1) исследовательский и поисковый эксперимент; 2) проверочный или контрольный эксперимент; 3) воспроизводящий; 4) изолирующий; 5) качественный или количественный; 6) лабораторный, производственный и т.д. 7) физический, химический, социальный, биологический эксперимент.
Методология экспериментальных исследований – это общая структура (проект) эксперимента. Включает следующие этапы:
1) разработка плана;
2) оценка измерений и выбор средств измерений;
3) проведение эксперимента.
В тоже время для получения надёжных и достоверных результатов экспериментальных исследований на стадии разработки плана проведения испытаний необходимо осуществить следующие виды работ:
- анализ характеристик исследуемого объекта;
- обоснование выбора количественных параметров;
- определение всех влияющих факторов;
- рассмотрение причинно-следственных связей между параметрами оценки свойств объекта и выявленными факторами;
- ранжирование факторов по степени их влияния на параметры оценки свойств объекта и выделение из них основных;
- определение рациональных интервалов варьирования выделенных факторов для установления соответствующих закономерностей;
- фиксирование остальных факторов на определённых уровнях варьирования
- подбор соответствующей существующей или разработка новой измерительной аппаратуры, фиксирующей во время проведения экспериментов измеряемые величины
- разработка методики тарировки выбранных средств измерения, их установки для надёжного измерения или регистрации контролируемых величин.
Вопросы проведения измерений были изложены во втором разделе настоящего курса лекций.
По результатам проведенных исследований проводится анализ полученных данных. Возможны три случая результатов проведения эксперимента. Первый – получена аналитическая зависимость. Второй случай – теоретическим путём установлен лишь характер зависимости. Третий случай – теоретически не удалось получить каких-либо зависимостей.
С целью снижения объёма осуществляемых работ при сохранении объёма решаемых задач применяются математические методы оптимизации эксперимента, методы математико-статистического планирования и обработки результатов эксперимента.
Для анализа полученных данных используются методы корреляционного и регрессионного анализа.
Подробно о планировании исследовательских испытаний изложено в ГОСТ 24026-80. Типы испытаний и определения ключевых понятий приведены в ГОСТ 6504-81. В целом вопросы экспериментальных исследований подробно рассмотрены в «Экспериментальные исследования в электроэнергетике и агроинженерии. Учебное пособие» В.Я. Хорольского (2013 г. – 106 с.)
Вопросы для самостоятельного изучения
1. Анализ как экспериментальный метод. Отличия от теоретического метода – анализ.
2. Синтез как экспериментальный метод. Отличия от теоретического метода – синтез.
3. Индукция как экспериментальный метод. Отличия от теоретического.
4. Дедукция как экспериментальный метод. Отличия от теоретического.
5. Метод корреляционного и регрессионного анализа
6. Математические методы оптимизации эксперимента.
7. Методика испытаний
8. Испытательный полигон
9. Определительные испытания
10. Натурные и полигонные испытания
11. Активный эксперимент
12. Метод регистрации данных с определённым периодом дискретизации
13. Экспериментальный метод квантования по времени
14. Множество состояний функционирования
15. Научно-исследовательская работа. Состав технического проекта.
16. Частотный метод анализа и синтеза систем оптимального управления
17. Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов
18. Метод аналогий
19. Методы исследований на основе математических моделей динамических режимов
20. Математическая модель. Целевая функция и т.д.
21. Методы решения оптимизационных задач.
22. Анализ решения оптимизационной задачи
23. Транспортные задачи электроэнергетики
24. Законы распределения случайных величин.
Список литературы:
Вся литература приведена по тексту для внимательных студентов.
Вопросы: с 1 по 6 (включительно) с 12 по 14 (включительно) с 16 по 20 (включительно) могут использоваться студентами для подготовки докладов и рефератов при условии изложения материала не менее чем на 14 страницах (шрифт Times New Roman, 14; межстрочный интервал 1,5 строки).
Остальные вопросы для повторения пройденного ранее материала в рамках других дисциплин.
Особое внимание студентам энергетикам и электротехникам стоит уделить изучению «Системы энергосберегающего управления. Учебное пособие» авторов Муромцева Д.Ю. и Погонина В.А. (изд-во: Тамбовский государственный технический университет, 2006).