Научная статья на тему 'Поиск области оптимальных условий по результатам пассивного эксперимента'

Поиск области оптимальных условий по результатам пассивного эксперимента Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
83
14
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПАССИВНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ / ФАКТОРЫ / ОБЛАСТЬ ОПТИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ / КОЭФФИЦИЕНТЫ МОДЕЛИ / ДИСПЕРСИЯ АДЕКВАТНОСТИ / КРИТЕРИЙ ОПТИМИЗАЦИИ / АДЕКВАТНАЯ МОДЕЛЬ / РASSIVE EXPERIMENT / FACTORS / OPTIMUM AREA / MODEL COEFFICIENTS / APPROXIMATION DISPERSION / OPTIMIZATION CRITERION / ADEQUATE MODEL

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Kozak Ludmila Yaroslavovna

The article describes a method, that allows to build a linear model and explore the obtained model for revealing the extreme point according to the experiment results carried out with the help of rotatable central composite plans. This model describes the optimum area. The article considers the search for the optimal conditions according to the passive experiment results and describes the algorithm of processing experiment results for the model as well as tests it for the adequacy.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Поиск области оптимальных условий по результатам пассивного эксперимента»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 519.6

Л.Я. Козак

Приднестровский государственный университет им. Т.Г. Шевченко

(г. Рыбница)

ПОИСК ОБЛАСТИ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПАССИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

В статье рассмотрен метод, позволяющий по результатам экспериментов, выполненных по рототабельным центрально-композиционным планам, построить линейную модель, описывающую область оптимума, и исследовать полученную модель на экстремум. Рассмотрен поиск области оптимальных условий по результатам пассивного эксперимента, описывается алгоритм обработки результатов экспериментов для получения модели и проверки ее на адекватность.

Пассивный эксперимент, факторы, область оптимальных значений, коэффициенты модели, дисперсия адекватности, критерий оптимизации, адекватная модель.

The article describes a method, that allows to build a linear model and explore the obtained model for revealing the extreme point according to the experiment results carried out with the help of rotatable central composite plans. This model describes the optimum area. The article considers the search for the optimal conditions according to the passive experiment results and describes the algorithm of processing experiment results for the model as well as tests it for the adequacy.

Рassive experiment, factors, optimum area, model coefficients, approximation dispersion, optimization criterion, adequate model.

1. Introduction

Upon studying the extreme field the interest is often to estimate not coefficients of the obtained regression model, but the response function itself. Moreover, in practice the regression model can be often considerably simplified by rotating the coordinate axes, i.e. coordinate transformation [1]. Rotatable planning, providing a prediction error of the output value by the regression equation, dependent only on the distance of the factorial experiment point to the experiment center, allows to predict the response function value with the same accuracy and, consequently, to transform the coordinate system to facilitate the regression equation [2].

Finding optimal regions for the object is the most important practical task. Most often in the context of the multivariate experiment it is required to find those factor score xi in which the system response y takes the score

ymax and ymin.

2. Research methodologies

Thus, the objective response function is constructed:

y = y (xi, X2,..., Xk), (1)

and the optimization problem is reduced to finding x 1 opt, x2 opt,-, xk opt, providing the objective function extre-mum:

yi = y (xi opt x 2 opt xk) ymin (y max )• (2)

Furthermore, additional restrictions are imposed on the factor score:

y (xi, x2,..., xk) {>, =,<} Ru where i = 1... r. (3)

Thus, the optimization problem is to find the response function extremum provided that the function itself is a priori unknown.

In practice, we often have to predict conditions of subsequent experiments to achieve the optimal region on the basis of a limited number of passive experiment data, i.e. on the basis of the experiment results carried out without the preliminary plan [3].

To find the optimal region according to the passive experiment it is necessary to follow the next steps:

1. To find the score of the imputed value R using the next formula:

R = i (Xj- x )yi, (4)

i=1

where Xj is the value of j factor in i experiment; Xj is

the central value of j factor based on the results of N experiments; yi is the optimization criterion value in i experiment.

2. To determine the conditions for new experiences (N + 1), using the formula

j = Xj ± KRj, (5)

where xj + is the value of j factor in N+1 experiment; K

is the scaling factor (it is the same for all the factors and it should provide the physical realizability of the experiment).

In the formula (5) signs "+" or "-" are put in the search, according to the maximum or minimum of the objective function. It will be observed that this method may give inaccurate results with a small number of experiments and with low reproducibility (with large distortion).

Let's consider the method implementation with an example: the passive experiment results (table 1) for the purpose of increasing the output production quality (y) it was necessary to determine the most preferred factor values, in our case we should determine the chemical composition value affected manufactured steel to a greater extent: CI % (x1), CaO com/kg(x2), t last/C0 (x3), Graphite/kg(x4), MhC17 (P35) and (P50)Ikg (x5), argon consumptionIm3 (x6), processed spar CaF2Ikg (x7), VI % (x8), Si/ % (x9).

According to the formula (1) let's determine the imputed value Rj :

R j = (0,802 - 0,802) • 0,6154 + (0,827 - 0,802) • 0,5792 + + (0,728 - 0,827) • 0,5905 + (0,802 - 0,728) • 0,6171 + + (0,759 - 0,802) • 0,5954 + (0,855 - 0,759) • 0,5104 + + (0,871 - 0,855) • 0,6554 + (0,846 - 0,871) • 0,5601 + + (0,857 - 0,846) • 0,6085 + (0,83 - 0,857) • 0,7122 + +(0,825 - 0,83) • 0,7082 = 0,0055;

then: R 2 = 36,9017; R3 = 0,4649; R4 = 49,6029;

R5 = - 22,441; R6 = - 0,0347; R 7 = - 5,9973;

R8 = - 0,0001; R9 = 0,0011.

1. Let us assume that K = 0,05, then the conditions of experiment 10 will be:

Xj9 = 0,8184 + 0,05 • 0,0055 = 0,8186;

x29 = 449,55 + 0,05 • 36,9017 = 451,3905;

X39 = 1531,36 + 0,05 • 0,4649 = 1531,387;

X49 = 812 + 0,05 • 49,6029 = 814,4801;

X59 = 154,091 + 0,05 • (- 22,441) = 152,9689;

x69 = 0,1088 + 0,05 • (- 0,0347) = 0,1071;

x79 = 595,909 + 0,05 • (- 5,9973) = 595,6092;

x99 = 0,0014 + 0,05 • (- 0,0001) = 0,0014;

x99 = 0,1939 + 0,05 • 0,0011 = 0,194. The implementation of experiment 10 in production environment allowed to achieve the maximum value of the output parameter Y which is equal to 0,7122 (71 %).

2. In order to check whether the area of optimal values of input factors in experiment 10 is reached, we will plan another experiment. The experiment conditions are determined by the results of all previous experiments 110.

R j = (0,902 - 0,8184) • 0,6154 + (0,827 - 0,9194) x x 0,5792 + (0,729 - 0,8184) • 0,5905 + (0,802 -0,8184)x x 0,6171 + (0,759 - 0,8184) • 0,5954 +(0,855-0,9194) x x 0,5104 + (0,971 - 0,8184) • 0,6554 + (0,846 - 0,9194)x x0,5601 + (0,957- 0,8184)- 0,6085 + (0,83 - 0,9194) x x0,7122 + (0,925 - 0,8184) • 0,7082 = 0,0013;

then: R2 = 0,1245; R3 = 0,9916; R4 = 6,3292;

R5 = 0,0479; R6 = 0,0049;

R7 = -19,3314; R8 =-7,5541; R9 = 0,0031. Then, with the same value of the scaling factor we will get the following:

X9 = 0,8184 + 0,05 • 0,0013 = 0,8184;

x29 = 449,55 + 0,05 • 0,1245 = 449,55;

X39 = 1531,36 + 0,05 • 0,8916 = 1531,408;

X49 = 812 + 0,05 • 6,3292 = 812,3165;

x59 = 154,091 + 0,05 • 0,0478 = 154,0933;

x69 = 0,1088 + 0,05 • 0,0048 = 0,109;

x79 = 595,909 + 0,05 • (- 19,3314) = 594,9925;

x99 = 0,0014 + 0,05- (- 7,5541) = 0,0014;

x99 = 0,1939 + 0,05 • 0,0031 = 0,194.

Initial data of the passive experiment results

Table 1

No. experim. xi x2 x3 x4 x 5 x6 x 7 x8 x9 Y

1 0,802 400 1532 729 200 0,1743 417 0,0016 0,2042 0,6154

2 0,827 439 1529 790 152 0,1312 657 0,0015 0,1882 0,5792

3 0,728 444 1528 704 105 0,1248 431 0,0010 0,2113 0,5905

4 0,802 480 1535 804 127 0,1139 543 0,0016 0,2172 0,6171

5 0,759 492 1531 657 204 0,1067 610 0,002 0,2056 0,5954

6 0,855 449 1529 904 149 0,0793 679 0,0013 0,1653 0,5104

7 0,871 451 1531 962 154 0,0905 692 0,0015 0,1879 0,6554

8 0,846 442 1530 849 156 0,0717 712 0,0014 0,1838 0,5601

9 0,857 450 1533 849 147 0,0741 708 0,0012 0,1819 0,6085

10 0,831 444 1535 849 150 0,1281 642 0,0014 0,1938 0,7122

Mean value 0,8184 449,545 1531,36 812 154,091 0,1088 595,909 0,0014 0,1939 -

11 0,82 450 1531 812 154 0,109 595 0,0014 0,194 0,8047

This experiment realization in production environment led to the result: y n = 0,804 (80 %).

Similar values of the optimization criterion of input factors in experiments 10 - 11 show that the "nearly stationary area" is achieved [4].

Thus, on the average steel quality in the first nine experiments was 0,597 (59,7 %), and in the future (experiments 10 and 11) increased by nearly 30 %.

The algorithm of processing experiment results in order to obtain a linear model presents the following stages:

1. We count additional coefficients X, A, C:

X = -

kN

9-10

(k + 2)(N -n0) (9 + 2)(10 -1)

= 0,91;

(6)

A = -

1

1

2X[(k + 2)^-k] 2 - 0,91[(9 + 2) - 0,91 - 9]

- = 0,55;

(7)

where k is the number of factors; N is the total number of experiments; n 0 is the number of experiments in the plan center (in the zero point).

C:

N

(8)

I x

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

then C1 = 1,67; C2 = 3,33; C3 = 1,43; C4 = 2,0; C5 = 2,5; C 6 = 1,43; C7 = 1,43; C8 = 1,67; C9 = 1,43. 2. We define values S0, Sj, Sj

then b 2 = 19,90; b3 = - 4,32; b 4 = - 12,71; b 5 = 0,08; b6 = - 6,11; b 7 = 7,31; b 8 = 1,97; b 9 = 10,56.

bj=A \C2 [(k + 2)X - k] Sjj +C2 (1 - X)IS j - 2XCS0

N

j=i

(14)

bn = 055 - {1,672 [(9 + 2) - 0,91 - 9] - 352,02 + +1,672 - 3094,43 - 2 - 0,91 -1,67 - 60,44} = 86,69;

then b 22 = 1268,78; b33 = 491,89; b 44 = 702,054; b 55 = 912,9; b66 = 499,00; b 77 = 489,58; b 88 = 573,31; b 99 = 482,85. 4. We find the reproducibility dispersion of experiments D(y ):

1 n 0

D(y) =-— X(y,„ -7„)2 = 29,14. (15)

N -1 ¿=1

Db0 = 2 AX2(k + 2)

= 29,14.

Dm

N

29 14

= 2 - 0,55 - 0,912(9 + 2)--— = 29,14;

10

C

Dj = — D ( y );

C,

DM = N D ( y ) =

N 1,67

(16) (17)

10

29,14 = 4,86;

then Db2 = 9,71; Db3 = 4,16; Db4 = 5,83; Db5 = 7,28; Db6 = 4,16; Db7 = 4,16; Db8 = 4,86; Db9 = 4,16.

S0 =I yt = 60,44.

1=1

N

Sj = I V;;

(9) (10)

A

Djj =— [(k +1)X - (k -1)] C2D(y );

N

(18)

A„ =

0,55

[(9 +1) -0,91 -(9 -1)]-1,672 -29,14 = 4,86;

then S1 = 114,86; S2 = 59,70; S3 = - 30,24; S4 = - 63,55; S; = 0,33; S6 = - 42,76; S7 = 51,14; S8 = 11,85; S9 = 73,93.

Sjj =I

(11)

then S11 = 352,02; S22 = 182,78; S33 = 417,79; S44 = 296,70; S55 = 241,83; S66 = 424,12; S77 = 415,73; S88 = 353,72; S99 = 409,73. 3. We count the model coefficients:

> A

b0 = —

0 N

2X2(k + 2)S0 - 2XCI Sjj

j=i

(12)

0,55 10

- 0,912 - ^^ + 2) - 60,44 - 2 - 0,91 - 3094,43] = 60,44.

(13)

C

j N j

/ * 1 /T'y

b. = —^ • S. = i-67 • 114,87 = 19,14; N 10

then Db22 = 19,43; Db33 = 0,59; DM4 = 2,33; = 1,56;

Db66= 1,71; Db77 = 0,89; Db88 = 0,69; Db99 = 0,51. 5. We estimate the importance of the model coefficients by the condition:

= tj > ^tab ,

(19)

where |b;| is the absolute value of j model coefficient; Dbj is the dispersion of j model coefficient; /tab is the

tabulated value of the Student's criterion with the given level of the value a and the number of the degree of freedom m = N - k* [5], where k* is the number of coefficients in the model, thence ttab = 2,26.

Upon executing inequation (19), the considered model coefficient is significant, such ones were 6 coefficients: 11 = 8,69; 12 = 6,39; t4 = 5,26; t6 = 2,99; t7 = 3,58; t9 = 5,18.

As a result of calculations the following linear model was obtained:

2

i=1

i=1

bj

Y = 60,44 + 19,14*j + 19,90*2 _ 12,71*4 _ 6,11*6 + + 7,31* 7 + 10,56* 9

3. Check the adequacy of the resulting model We check out the model adequacy by the condition:

F = -

D,,

D( y )

■< F

(20)

Upon executing inequation (20), the model is considered adequate for the experimental data, and the task is considered to be solved.

Thus, the found linear model accurately reflects the experimental data and can be used to analyze the object work and optimization.

References

where Ftab is the tabulated value of the Fisher's criterion with the given level of significance a (0,05) [6] and the number of the degree of freedom (1):

F = 8360 = 2,87 < Fb = 3,63. 29,13 tab

D ад is the adequacy dispersion (residual dispersion)

[7]:

N 2

I(y. - я) -D (У)

= 83,60. (21)

Conclusions

1. Bashkatov D., Kolomiets A. Optimization of technological processes. Nizhny Novgorod, 1998, 280 p.

2. Gandzhumyan R. Mathematical statistics: handbook. Moscow, 1990, 218 p.

3. Gmurman V. Probability theory and mathematical statistics: manual for university. 7th Ed., ster. Moscow, 1999, 479 p.

4. Gmurman V. Guide to solving problems on probability theory and mathematical statistics: textbook for university students, 5th Ed., ster. Moscow, 2000, 400 p.

5. Mirzadzhanzade A., Shirinzade S. Improving efficiency and quality of technological processes. Moscow, 1986, 278 p.

6. Neyshteter I., Chubik P. Design methods of experiments when searching for the optimum conditions: tutorial. Tomsk: TPU, 2000, 96 p.

7. Basic research: Manual for techn. Universities I ed. by V. Krutov, V. Popova. Moscow, 1989, 400 p.

УДК 62-52

М.В. Колосов

Сибирский федеральный университет (г. Красноярск)

ПРИМЕНЕНИЕ OPC ТЕХНОЛОГИИ В СИСТЕМАХ ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИИ УЗЛОВ

УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Приводится описание технологии построения системы диспетчеризации узлов учета тепловой энергии. Показана реализация системы диспетчеризации узлов учета тепловой энергии для систем теплоснабжения, а также показан пример элементов пользовательского интерфейса данной системы. Сделан вывод о возможности использования OPC технологии при построении систем диспетчеризации узлов учета тепловой энергии.

Теплоснабжение, диспетчеризация и учет, энергоэффективность, OPC.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

The article describes techniques for constructing heat energy metering system. The implementation of the heat energy metering stations for dispatching heating systems, as well as an example of the user interface elements of the system are shown. Analysis of the possibility to use OPC technology in the construction of dispatching systems of heat energy metering stations is provided.

Heating system, data acquisition, energy efficiency, OPC.

Введение

Одна из характерных тенденций последних лет в сфере приборного учета тепла - это неуклонное повышение интереса к технологиям удаленного сбора данных и системам диспетчеризации. Они позволяют отказаться от ручных методов съема информации и повысить надежность и оперативность управления сетями централизованного теплоснабжения [2].

С развитием коммерческого учета тепла задача оперативного и своевременного сбора данных с теплосчетчиков приобретает все большую актуальность. Подключение ЦТП и ИТП к сетям сбора данных облегчает контроль и управление оборудованием, уп-

рощает ведение расчетов за теплоэнергию, как с предприятиями, так и с управляющими компаниями и ТСЖ [3].

Еще одно преимущество состоит в возможности анализировать работу тепловых пунктов и своевременно реагировать на возникшие проблемы. Имея точную информацию о параметрах работы системы теплоснабжения, можно решать любые спорные вопросы между поставщиком и потребителем тепловой энергии. Абонент тем самым защищает себя от возможных необоснованных исков. Но реализации таких решений часто препятствует необходимость немалых капиталовложений. Однако в конечном итоге

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.