Введение к работе
Актуальность темы
В современных отраслях промышленности и техники многие
технологические процессы характеризуются большим количеством
действующих факторов, влияющих сложным образом на конечный
продукт. Кроме того, физико-теоретические представления о механизме
явлений, лежащих в основе таких процессов, зачастую недостаточны. Это
обусловливает серьезные трудности на пути построения математических
описаний технологических процессов, пригодных для целей управления и
оптимизации. .-'
' Для сложных малоизученных процессов эксперимент является
одним из основных источников получения-информации. Высокая
стоимость и нередко длительное время подготовки эксперимента
заставляют уделять серьезное внимание вопросам его рационального
проведения, анализа результатов и достоверности практических
рекомендаций. Известно, что эффективность проведения
экспериментальных исследований может быть существенно увеличена при использовании оптимального факторного планирования эксперимента, методов математической статистики, прогнозирования и поиска оптимальных решений (Дж.Бокс, Г.Дженкинс, В.В.Налимов, В.В.Федоров, Ю.П.Адлер, В.З.Бродский и др.).
В свою очередь, оперативность применения этих методов и максимальное использование их возможностей требуют создания основанного на них современного программного обеспечения. Отечественные пакеты программ (например, STADIA, Мезозавр, САНИ и др.) реализуют в основном отдельные этапы обработки и анализа экспериментальных данных.
Наиболее продвинутые статистические зарубежные пакеты (SAS, SPSS, SYSTAT и др.) имеют высокую стоимость (до 10000 долларов) и практически недоступны для большинства исследователей в нашей стране, кроме того, стремление разработчиков этих пакетов к максимальной универсализации снижает возможности этих пакетов, в частности, применительно к задачам планируемого эксперимента. Следует отметить также, что такие пакеты выдвигают высокие требования к статистической подготовке пользователя, требуют знания командного языка высокого уровня и зачастую не имеют руководства на русском языке.
Таким образом, в настоящее время актуальной является задача создания информационной системы, ориентированной на поддержку планируемого эксперимента, эффективной, недорогой и удобной в эксплуатации.
Цель диссертационной работы
Создание информационной системы математической поддержки планируемого эксперимента и ее апробация в области технологий плазменного напыления.
Методы исследования
В данной диссертационной работе использовались методы планирования эксперимента, критерии выбора экономичных планов, вычислительные алгоритмы преобразования матриц, метод наименьших квадратов, различные статистические критерии, симплекс-метод поиска оптимальных значений нелинейных функций отклика. Для разработки оптимальной структуры базы данных информационной системы были использованы принципы нормализации данных, позволяющие эффективно использовать язык запросов SQL (Structured Query Language). Для создания информационной системы использовались современная СУБД Microsoft Visual FoxPro 6.0 и объектно-ориентированные методы программирования. Для визуального отображения полученных результатов использовались средства построения поверхностей и диаграмм.
Новые научные результаты и положения
-
Предложен проблемно-ориентированный подход к поддержке планируемого эксперимента, основанный на интеграции возможностей современных информационных технологий, методов планирования эксперимента, математической статистики и поиска оптимальных решений.
-
Создана информационная система математической поддержки планируемого эксперимента, отличающаяся реализацией предложенного проблемно-ориентированного подхода и позволяющая по заданным критериям выбирать оптимальные планы эксперимента, идентифицировать математическую модель объекта, осуществлять проверку адекватности модели экспериментальным данным, прогнозировать значения функции отклика в области эксперимента и за его пределами, находить оптимальные значения факторов и функции отклика.
-
Предложена структура базы данных, отвечающая требованиям нормализации, оптимизированная для использования языка запросов SQL, разработанная с учетом наращивания функциональных возможностей системы. Реализованы рабочие алгоритмы автоматизации статистических расчетов.
-
Применение разработанной информационной системы, эффективной и удобной в эксплуатации (в том числе за счет режима диалоговых окон), позволяет использовать экономичные планы эксперимента,
оптимальные в смысле различных критериев, повышает оперативность обработки экспериментальных данных и достоверность практических рекомендаций, снижает общие затраты на проведение экспериментальных исследований. 5. Апробирование ряда возможностей информационной системы в области технологий плазменного напыления позволило получить адекватные математические модели и найти оптимальные режимы. В частности, получены:
модель определения шероховатости плазмонапыленных биопокрытий из титана и гидроксиапатита;
модель влияния ультразвуковых колебаний на процесс плазменного напыления;
модель определения качества плазмонапыленных биопокрытий;
модель определения шероховатости покрытий, полученных из композиционных материалов на основе титана и гидроксиапатита. При этом подтверждены теоретические предположения о том, что
дистанция напыления и дисперсность порошка оказывают существенное влияние на морфологию плазмонапыленного покрытия. Определена зависимость шероховатости покрытия от технологических режимов напыления. Установлено, что ультразвуковые колебания существенно влияют на характер зависимости деформации частиц от их скорости и дистанции нанесения, а также на геометрию частиц.
Практическая ценность
Практическую ценность имеют:
-
Предложенная информационная система математической поддержки планируемого эксперимента, определенная универсальность которой позволяет использовать ее в различных областях науки и техники.
-
Содержимое базы данных информационной системы (каталоги планов, исходные экспериментальные данные, результаты анализа, прогнозирования и поиска оптимальных решений).
-
Полученные адекватные математические модели, пригодные для целей управления и оптимизации.
Апробация работы
Отдельные положения данной диссертационной работы были представлены на Международной конференции «Прогрессивные методы получения и обработки конструктивных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей и машин», Волгоград, ВГТУ, 1996, на 4-й Международной научно-технической конференции «Современные проблемы имплантологии», Саратов, СГТУ, 1998, на конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 1998. Некоторые решения задач
использовались в отчетах о научно-исследовательских работах программы «Университеты России» (СГТУ-255). Результаты, полученные в диссертации, внедрены в научно-промышленной ассоциации «Плазма Поволжья» и на кафедре МВПО Саратовского государственного технического университета для исследования особенностей процесса плазменного напыления, а также на ОАО «Саратовмука» для прогнозирования величины планируемой прибыли.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе одна монография. Список публикаций приведен в конце данного автореферата.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 157 страниц машинописного текста, в том числе 17 таблиц и 37 рисунков. Список литературы содержит 93 наименования и изложен на 9 страницах.