КТ В НАУЧНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ, МОДЕЛИРОВАНИИ И ОБРАБОТКЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НИ
4.1. ЗАДАЧИ И СОСТАВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ (ЭИ)
Основными задачами ЭИ могут быть:
1. Целенаправленное наблюдение за функционированием объекта для углубленного изучения его свойств.
2. Проверка справедливости рабочих гипотез для разработки на этой основе теории явлений.
3. Установление зависимости различных факторов, характеризующих явление, для последующего использования найденных зависимостей в проектировании или управлении исследуемыми объектами.
ЭИ включают этапы подготовки эксперимента, проведения исследований и обработки результатов.
На подготовительном этапе определяются цели и задачи ЭИ, разрабатываются методика и программа его выполнения. Этот этап включает также подбор необходимого оборудования и средств измерений.
При разработке программы ЭИ стремятся к меньшему объему и трудоемкости работ, упрощению эксперимента без потери точности и достоверности результатов. В этой связи данный этап ЭИ требует решения задачи определения минимального числа опытов (измерений), наиболее эффективно охватывающего область возможного взаимодействия влияющих факторов и обеспечивающего получения их достоверной зависимости.
Данная задача решается средствами раздела математической статистики - планирование эксперимента, который представляет необходимые методы для рациональной организации измерений, подверженных случайным ошибкам.
Этап проведения собственно исследований определяется спецификой изучаемого объекта. По характеру взаимодействия средств эксперимента с объектом различают обычные и модельные ЭИ. В первом, взаимодействие оказывается непосредственно на объект, во втором - на заменяющую его модель.
Метод моделирования объектов и процессов является основным в научном эксперименте. Различают физическое, аналоговое, математическое моделирование.
Физическое моделирование выполняется на специальных установках. При этом ВТ используются для управления процессом эксперимента, сбора регистрационных данных и их обработки.
Для аналогового моделирования используются аналоговые вычислительные машины (АВМ), что позволяет создавать и исследовать модели-аналоги, которые могут описываться одинаковыми дифуравнениями с исследуемым процессом.
Математическое моделирование, в широком смысле, включает исследования не только с помощью чисто математических моделей. Здесь используются также информационные, логические, имитационные и другие модели и их комбинации.
В этом случае матмодель представляет собой алгоритм, включающий определение зависимости между характеристиками, параметрами и критериями расчета, условия протекания процесса функционирования системы и т.д. Данная структура может стать моделью явления, если она с достаточной степенью отражает его физическую сущность, правильно описывает соотношение свойств и подтверждается результатами проверки.
Применением матмоделей и ВТ реализуется один из наиболее эффективных методов НИ - вычислительный эксперимент, который позволяет изучать поведение сложных систем, которые трудно физически смоделировать. Часто это связано с большой сложностью и стоимостью объектов, а в некоторых случаях невозможностью воспроизвести в реальных условиях.
Для математического моделирования целесообразно использовать ПС известных фирм, разработанные высококвалифицированными специалистами с использованием последних достижений прикладной математики и программирования. Возможности современных ПС, в части машинной графики, включая параметризацию, использование КЭМ и способов “фрактала” и “морфинга”, цветовой динамики, мультипликации и т.п., обеспечивают достаточную наглядность результатов.
Наиболее широкое применение находят ВТ для:
логического, функционального и структурного моделирования электронных схем;
моделирования и синтеза систем автоматического управления (САУ);
моделирования механических и тепловых режимов конструкций, механики газов и жидкостей.
При этом используются сотни функционально-ориентированных ПС (например, MICRO - Logic, PC - LOGS из P-CAD, ANSYS, DesignLAB), так и системы универсального применения (мощные ЭТ - Excel, QuattroPro, система MathCad).