Основы проведения научных исследований: модели, методы анализа и обработки результатов экспериментов в пищевых производствах


В. А. Авроров, Е. А. Жистин, Н. В. Моряхина






ОСНОВЫ ПРОВЕДЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ: МОДЕЛИ, МЕТОДЫ АНАЛИЗА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ


Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 664
ББК 36-1
    А21




Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент Пензенского государственного университета архитектуры и строительства А. И. Проскурин; доктор экономических наук, профессор Пензенского государственного аграрного университета В. М. Зимняков




    Авроров, В. А.
А21 Основы проведения научных исследований: модели, методы анализа и обработки результатов экспериментов в пищевых производствах : учебное пособие / В. А. Авроров, Е. А. Жистин, Н. В. Моряхина. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 436 с. : ил., табл.
           ISBN978-5-9729-1035-9

     Приведены особенности и специфика технологических процессов в пищевых производствах. Рассмотрены основные этапы НИР, порядок составления методической и рабочей программы исследований. Изложены основные сведения о факторном планировании эксперимента, постановке и проведении предварительных и отсеивающих экспериментов. Приводится анализ однофакторных и многофакторных регрессионных моделей первого и второго порядка, корреляционных моделей. Даются основные сведения о методах оптимизации процессов. Рассматриваются методы исследований технологических процессов и систем, модели и методы обоснования решений при исследовании операций. Даются основные понятия о линейном и вогнутом программировании, симплексном методе и методе потенциалов при решении задач линейного программирования. Рассматриваются виды технологической неуправляемости оборудования и методы оценки неуправляемости, вопросы имитационного моделирования и его использования в практике инженерных исследований.
     Для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата: 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 19.03.02 «Продукты питания из растительного сырья», 19.03.03 «Продукты питания животного происхождения», 19.03.04 «Технология продукции и организация общественного питания», 19.00.00 «Промышленная экология и биотехнологии».

УДК 664
ББК36-1




ISBN 978-5-9729-1035-9

     © Авроров В. А., Жистин Е. А., Моряхина Н. В., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.........................................................7

    РАЗДЕЛ I. ОСНОВЫ ПРОВЕДЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Виды научно-исследовательских работ в пищевой промышленности ....9
    1. Основные особенности и специфика технологических процессов пищевых производств..........................................9
    2. Виды и основные этапы научно-исследовательских работ.....10
    3. Выбор темы для исследовательской работы..................12
1.2. Организационно-методические вопросы НИР....................13
    1. Подготовительный этап НИР................................13
    2. Методическая и рабочая программа НИР.....................14
1.3. Характеристика моделей процессов и объектов научных исследований..................................17
    1. Виды моделей процессов и объектов........................17
    2. Некоторые способы получения моделей.......................19
1.4. Организация наблюдений. Основные типы распределений случайных величин................................................22
    1. Понятия об экспериментальных наблюдениях.................22
    2. Ряды и таблицы распределений.............................26
    3. Виды распределений случайных величин.....................36
1.5. Организация и проведение предварительного эксперимента.....60
    1. Понятия об ошибках измерений.............................60
    2. Методы и средства измерений..............................70
    3. Первичная обработка результатов наблюдений..............100
    4. Сравнение числовых характеристик случайных величин. Статистические критерии....................................106
1.6. Основные сведения о факторном планировании эксперимента.....128
    1. Задачи планирования эксперимента........................128
    2. Понятия о факторах и выходных параметрах технологического процесса..................................129
    3. Правила составления матрицы планирования................131

1.7. Анализ однофакторных регрессионных моделей................134
    1. Анализ линейной однофакторной регрессионной модели......134

3

    2. Анализ параболической однофакторной регрессионной модели...141
    3. Линеаризация непараболических регрессионных моделей....144
1.8. Планирование и анализ многофакторного эксперимента.......149
    1. Основные сведения о полном факторном эксперименте......149
    2. Основные сведения о дробном факторном эксперименте.....152
    3. Методы отсеивания малозначимых факторов................154
    4. Факторныйанализэкспериментальныхданных.................158
1.9. Построение и анализ регрессионной модели второго порядка.....171
    1. Основные понятия о центральном композиционном эксперименте.171
    2. Исследование регрессионной многофакторной модели второго порядка..........................................176
1.10. Анализ корреляционных моделей...........................179
    1. Анализ однофакторных корреляционных моделей............179
    2. Анализ многофакторных корреляционных моделей...........184
    3. Основные сведения о корреляционном и спектральном анализе функций...........................187
1.11. Основные сведения о методах оптимизации технологических процессов.....................................193
    1. Задачи и методы оптимизации технологических процессов..193
    2. Метод крутого восхождения..............................197
    3. Симплексный метод оптимизации..........................200
1.12. Использование численных и графических методов в экспериментальных исследованиях.............................205
    1. Графическое дифференцирование и интегрирование.........205
    2. Интерполяция экспериментальных данных..................207
    3. Методы обработки эмпирического численного материала....211
1.13. Задачи и методы прогнозирования развития систем.........215
    1. Основные понятия о задачах прогнозирования.............215
    2. Некоторые методы прогнозирования систем и процессов....216


РАЗДЕЛ II. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВЕННО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
2.1. Основные понятия, цели и задачи моделирования и исследования операций.......................................227

4

    1. Основные принципы моделирования и исследования операций.....227
    2. Виды задач исследования операций........................235
2.2. Линейные модели в производстве и экономике................243
    1. Постановка задач линейного программирования, их геометрическая интерпретация и методы решения...........243
    2. Симплексный метод решения задач линейного программирования.246
    3. Метод потенциалов при решении задач линейного программирования...........................................249
    4. Анализ балансовой модели производства...................258
2.3. Примеры постановки и построения моделей задач линейного программирования ....................................265
    1. Модель задачи функционирования предприятия..............265
    2. Модель задачи выбора оптимальной технологии.............267
    3. Модель задачи оптимизации состава смеси.................268
    4. Модель задачи распределения производственной программы..269
2.4. Моделирование управления объектами и процессами на основе принципов линейного программирования.................273
    1. Цели, задачи и этап управления объектом или процессом...273
2.5. Модели и методы анализа задач целочисленного линейного программирования.....................................281
    1. Постановка задачи целочисленного линейного программирования.281
    2. Методика решения задачи.................................283
2.6. Введение в задачи динамического программирования..........286
    1. Сущность метода динамического программирования..........286
2.7. Методы преодоления конфликтных ситуаций...................293
    1. Понятие о конфликтных ситуациях и методах их преодоления....293
2.8. Основные понятия о задачах вогнутого программирования.........301
    1. Понятия об условном экстремуме, выпуклых и вогнутых функциях... 301
    2. Постановка задачи и основные принципы вогнутого программирования...........................................306
2.9. Решение инженерных задач методом имитационного моделирования..................................................308
    1. Сущность имитационного моделирования....................308

5

  РАЗДЕЛ III. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

И СИСТЕМ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
3.1. Принципы построения семиотических моделей..................316
    1. Принципы построения семиотических моделей технических систем ..316
    2. Построение и анализ семиотических моделей операций.......317

3.2. Основные понятия о технологической управляемости технических объектов...........................................321
    1. Виды технологической неуправляемости.....................321
    2. Экспертная оценка технологической управляемости объектов.324

3.3. Вычислительные методы в исследовательских задачах..........326
    1. Метод конечных разностей.................................326
    2. Метод конечных элементов.................................333
    3. Метод базисных вариаций..................................340
    4. Метод анализа размерностей...............................344

3.4. Использование теории подобия при решении задач исследования операций..........................................347
    1. Основные понятия теории подобия..........................347

3.5. Методы исследования процесса перемешивания твердых сыпучих пищевых материалов.............................357
    1. Показатели эффективности перемешивания сыпучих материалов.357
    2. Оптимизация состава твердых сыпучих смесей...............360

3.6. Методы поисковой оптимизации...............................366
    1. Постановка задачи оптимизации............................366
    2. Методы оптимизации при однопараметрическом локальном поиске... 367

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................370

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Статистические таблицы и критерии.................372

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Практикум по основам проведения научных исследований............................................381


6

ВВЕДЕНИЕ


     Перед началом исследования какой-либо научно-технической проблемы возникает ряд вопросов по выбору направлений исследования, обоснованию актуальности конкретной темы, формулированию и постановке задач исследования, выбору факторов и целевых критериев, планированию и проведению экспериментов, обработке полученных данных, их интерпретации, оптимизации процессов и т. д.
     Необходимость данного учебного пособия, на наш взгляд, вытекает из содержания естественнонаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин и требований образовательных стандартов по направлениям подготовки бакалавриата и магистратуры 15.03.02 - Технологические машины и оборудование, 19.03.02 - Продукты питания из растительного сырья, 19.03.03 - Продукты питания из животного сырья, 19.03.04, 19.04.04 - Технология продукции и организация общественного питания, а также соответствующих стандартов по направлениям подготовки других отраслей промышленности.
     Акцент в настоящем пособии делается на методологической стороне организации и проведения НИОКР, методах исследования операций, составлении и анализе моделей технологических процессов и технических объектов.
     Пособие включает три раздела. В первом разделе (гл. 1.1-1.13) приведена классификация НИОКР, рассмотрены особенности и специфика организации и проведения исследований технологических процессов пищевых производств, приведена характеристика моделей процессов и объектов научных исследований, указаны некоторые способы получения моделей.
     Большое внимание уделено материалу по организации наблюдений и их обработке, проведению предварительных экспериментов, многофакторному планированию и анализу регрессионных и корреляционных моделей. Данный раздел заканчивается рассмотрением задач и методов прогнозирования развития технологических систем.
     Во втором разделе (гл. 2.1-2.9) рассматриваются вопросы постановки задач исследования операций, приводятся модели и методы решения задач линейного программирования, методы управления технологическими системами, методы целочисленного и динамического программирования, имитационного моделирования, методы решения конфликтных ситуаций.
     В третьем разделе (гл. 3.1-3.6) рассмотрены некоторые модели и методы их анализа применительно к конкретным технологическим операциям. Приведены вычислительные методы решения инженерных задач, возникающих при исследованиях технологических процессов и механизмов технологического оборудования - методы конечных разностей, конечных элементов, базисных 7

вариаций, анализа размерностей. Раздел заканчивается рассмотрением некоторых методов поисковой оптимизации.
      В приложениях к пособию приведены методические указания по выполнению практических заданий, некоторые константы и справочные данные, необходимые при проведении статистических исследований.

8

РАЗДЕЛ I
ОСНОВЫ ПРОВЕДЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ


1.1. Виды научно-исследовательских работ в пищевой промышленности
       1. Основные особенности и специфика технологических процессов пищевых производств
       2. Виды и основные этапы научно-исследовательских работ
       3. Выбор темы для исследовательской работы
       Глоссарий
       Контрольные вопросы



1. Основные особенности и специфика технологических процессов пищевых производств

     Технологические процессы пищевой промышленности применительно к той или иной ее отрасли представляют собой сложный комплекс механических, химических, биологических и других явлений.
     Использование множества видов сырья и изменение по ходу переработки формы и состояний этого сырья затрудняет исследование технологических процессов и требует постоянного контроля свойств получаемых полуфабрикатов и продуктов на разных стадиях обработки с большим количеством измеряемых параметров.
     Необходимость количественной и качественной оценки массовых испытаний, вызванных переработкой неоднородного по структуре и свойствам сырья, обуславливает широкое применение методов математической статистики и теории вероятностей, поскольку многие процессы пищевой промышленности, особенно процессы механической обработки, по своей физической сущности базируются на вероятностных схемах с закономерностями, свойственными случайным событиям массового характера.
     Производства пищевой промышленности, относящиеся к механической обработке материалов, могут быть как дискретными, так и непрерывнопоточными. Непрерывность технологических процессов получения продуктов обуславливает использование при исследовании этих процессов методов теории случайных функций и статистической динамики.
     Изменение реологических показателей сырья, релаксационные явления в перерабатываемых полуфабрикатах, нестационарность некоторых технологических процессов, а также влияние факторов окружающей среды в свою очередь

9

осложняют исследование процессов и технологического оборудования и обуславливают применение специальных методов исследования.
     Быстротечность процессов и закрытые рабочие зоны машин и аппаратов затрудняют визуальное наблюдение и регистрацию основных параметров и вызывают необходимость использования для регистрации данных специфических средств и методов.
     Многообразие структуры продуктов и ее постоянное изменение по ходу обработки требует применения различных видов датчиков и индикаторов, дающих объективную картину процесса, а также методик для определения показателей полуфабрикатов, отсутствие которых может существенно затруднить проведение экспериментальных работ и получение объективных оценок для оптимизации процесса. Указанные особенности требуют от исследователя знания методов и средств для проведения исследований и умения осуществлять их реализацию или создание.

2. Виды и основные этапы научно-исследовательских работ

     В общем случае научно-исследовательские работы (НИР) подразделяются на:
     -  теоретические,
     -  экспериментальные,
     -  теоретико-экспериментальные.
     В теоретических работах на основании анализа физической сущности изучаемого процесса на базе известных законов математической физики устанавливаются закономерности и прогнозируются условия осуществления или улучшения процесса.
     В экспериментальных исследованиях подобная задача решается на основе полученных экспериментальных данных и их обработки.
     Сочетание теоретического и экспериментального подхода при выполнении НИР является наиболее рациональным при решении задач исследования.
     По поставленным задачам НИР делятся:
     -       на теоретико-экспериментальные работы, раскрывающие закономерности технологических процессов и определяющие оптимальный режим работы машин и аппаратов с целью повышения эффективности процессов, улучшения качества выходящей продукции, совершенствования конструкции и автоматизации производства;
     -       на экспериментальные работы по испытаниям новых изделий с целью определения показателей надежности их работы, удобства обслуживания и других показателей;

10

      -       на поисковые исследовательские работы, направленные на разработку новых технологических процессов или операций на базе последних достижений науки и техники;
      -       на поисковые работы, направленные на создание новых продуктов питания и рациональное использование потребительского сырья;
      -       на исследовательские работы по изучению эксплуатационных свойств объектов, определяющих качественные показатели технологического оборудования с целью создания новых технических нормативов;
      -       на работы по созданию новых методов исследования, технологических процессов и средств измерения параметров.
      Экспериментальные НИР в свою очередь делятся на лабораторные и производственные. Для лабораторных исследований характерен небольшой объем используемого сырья. Наблюдения проводятся, как правило, на лабораторных установках, моделях или стендах. Эти исследования имеют целью отбор из множества возможных вариантов наиболее приемлемых для создания экспериментальных образцов изделий, служащих базой для изготовления промышленных образцов.
      Любая научно-исследовательская работа состоит из нескольких последовательно выполняемых этапов, имеющих самостоятельное значение и являющихся объектом исследования. Отдельные этапы хоздоговорных НИР сдаются заказчику по актам сдачи и приемки работ.
      1.      Теоретико-экспериментальные работы состоят из следующих типовых этапов:
      - выбор и обоснование темы исследования;
      - подготовительный этап;
      - теоретический анализ технологического процесса;
      - подготовка и проведение предварительного эксперимента;
      - проведение основного эксперимента;
      - анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований;
      - выводы и рекомендации по работе.
      2.      Экспериментальные работы, связанные с испытанием нового технологического оборудования, содержат перечисленные выше этапы, кроме первого.
      3.     НИР поискового характера включают следующие этапы:
      - подготовительный этап;
      - выдвижение гипотез и разработка теоретической части темы;
      - исследование моделей с коррекцией технологии и конструкции;
      - разработка и изготовление стендов;
      - проведение предварительного и основного экспериментов;
      - анализ результатов испытаний и теоретических исследований;

11

     -   выводы и рекомендации.
     4.       НИР по разработке условий рационального использования сырья имеют следующие этапы:
     -   подготовительный этап;
     -   теоретические исследования по теме;
     -   подготовка и проведение предварительного и основного экспериментов;
     -   анализ результатов и разработка оптимального технологического режима;
     -   выбор оптимального вида сырья и структуры материалов.
     5.      НИР по материаловедению включает следующие этапы:
     -   подготовительный;
     -   теоретические исследования;
     -        подготовка и проведение предварительного и окончательного экспериментов;
     -   обработка результатов;
     -   разработка технического задания или других нормативных документов.
     6.       НИР по разработке методов и средств исследований технологических процессов содержат те же этапы, что и поисковые НИР.
     Можно видеть, что этапы различных видов НИР взаимосвязаны между собой. По каждому законченному этапу, как правило, составляется и оформляется научный отчет.

3. Выбор темы для исследовательской работы

     Выбор актуальной темы НИР представляет непростую задачу и может быть обеспечен при выполнении следующих условий:
     -        постоянное изучение состояния и путей развития технологии и техники отрасли желательно с компьютерной записью информации или с ведением тематических карточек и систематических записей;
     -       участие в работе научных конференций и семинаров, и изучение тезисов докладов;
     -        знакомство с тематическими планами отраслевых институтов и лабораторий;
     -       знакомство с темами и работами различных профильных организаций, выдвигаемыми на конкурс.
     При этом успех выполнения НИР определяется следующими факторами:
     -        склонностями и уровнем подготовки исследователя. Например, исследователю, имеющему склонность к теоретическим исследованиям, целесообразно выбирать тему, требующую теоретического анализа, а исследователю, более склонному к конструированию - тему поисковой работы;


12

      -        материальными возможностями для проведения работы и ее сроками;
      -        актуальностью темы, т. е. ее соответствием направлениям развития науки и техники данной отрасли и требованиям промышленности.

Ш Глоссарий

Теоретико-экспериментальная НИР - работа, раскрывающая закономерности технологического процесса и определяющая оптимальный режим работы машины или аппарата с целью повышения эффективности процесса, качества выпускаемой продукции или совершенствования конструкции оборудования.
Экспериментальная НИР - работа по испытанию нового изделия с целью определения показателей его надежности, удобства обслуживания и других показателей функционирования. Поисковая исследовательская работа - работа, направленная на разработку новых технологических операций и процессов на базе последних достижений НТП, а также по созданию новых методов исследования процессов.
Исследовательская работа - работа по изучению эксплуатационных свойств технологического оборудования с целью создания новых технических нормативов.
Поисковая работа - работа, направленная на создание новых продуктов питания и рациональное использование потребляемого сырья.
Экспериментальная лабораторная работа - НИР, проводимая на лабораторных установках, стендах и моделях с целью отбора из множества возможных вариантов наиболее приемлемого для создания экспериментального образца изделия.
Экспериментальная производственная работа - НИР, проводимая в условиях производства на экспериментальном или промышленном образце оборудования.

? Контрольные вопросы

1. По каким признакам классифицируются научно-исследовательские работы?
2. Из каких этапов состоят теоретико-экспериментальные НИР?
3. Какие этапы включают НИР поискового характера?
4. Какие условия определяют выбор темы научно-исследовательской работы?


1.2. Организационно-методические вопросы НИР
     1. Подготовительный этап НИР
     2.  Методическая и рабочая программа НИР
     Глоссарий
     Контрольные вопросы


1. Подготовительный этап НИР

     Подготовительный этап НИР включает выполнение следующих работ:
     -       получение информации по теме (составление библиографических списков, интервьюирование потребителей новой техники, анкетный опрос и др.);

13

     -        изучение отобранных материалов;
     -        знакомство с объектом исследования, его особенностями и структурой;
     -        анализ физической сущности технологического процесса;
     -        выделение круга вопросов, подлежащих исследованию;
     -        формулировка задач исследования и обоснование необходимости постановки работы.
     При изучении полученной информации исследователь должен:
     -        установить, какие аспекты выбранной темы остались не полностью исследованными, неясными, неполными, требующими дополнительной поверки, что необходимо изучить вновь, какие методы и средства уже использовались в ранее проведенных исследованиях и какие методы применялись для обработки результатов;
     -        обратить внимание на оригинальные взгляды и интересные идеи, которые ранее не были экспериментально проверены;
     -        изучить теоретические представления и модели процессов в родственных или смежных отраслях техники. Например, при изучении процесса перемешивания ингредиентов в пищевой промышленности целесообразно ознакомиться с теоретическими и экспериментальными методами исследования этого процесса в текстильной, химической и других отраслях промышленности;
     -        обдумать и наметить направление своей работы, определив при этом вопросы для исследования и экспериментально проверки.

2. Методическая и рабочая программы НИР

     Методическая программа является основным документом НИР, составляемым на базе литературных источников и другой информации, предварительного ознакомления с объектом исследования и предварительного изучения физической сущности технологических процессов, реализуемых на этом объекте.
     Типовая методическая программа содержит:
     -   формулировку темы работы;
     -   определение цели работы;
     -        обоснование причин, вызвавших постановку НИР, и целесообразность ее проведения с научно-технических и экономических позиций;
     -   краткое изложение и критический анализ известных материалов и работ;
     -   построение рабочей модели;
     -   составление перечня этапов НИР;
     -        - изложение условий, матрицы планирования и методики проведения эксперимента (методики испытания материала);

14