16229

Планирование и проведение машинного эксперимента

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине Теоретические основы автоматизированного управления Лабораторная работа № 5 Планирование и проведение машинного эксперимента Цель работы: Приобрести навыки постановки эксперимента на модели с испол

Русский

2013-06-20

77 KB

6 чел.

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине

«Теоретические основы автоматизированного управления»

Лабораторная работа № 5

Планирование и проведение машинного эксперимента

Цель работы: Приобрести навыки постановки эксперимента на модели с использованием ЭВМ

Материальное обеспечение:

Компьютер, система моделирования на ЭВМ.

Теоретическая часть

Осуществлению эксперимента с моделью предшествует его подготовка или планирование. Различают стратегическое и тактическое планирование.

Стратегическое планирование эксперимента

Достижение целей моделирования возможно исследованием с использованием созданной модели. Эти исследования заключаются в проведении ряда испытаний, в результате которых определяются выходные характеристики моделируемого объекта при различных значениях управляемых параметров. Эксперименты следует проводить по заранее составленному плану. Существенную важность приобретают вопросы планирования при использовании метода имитационного моделирования. Это обусловлено большим числом сочетаний значений управляемых параметров, а каждый прогон модели проводится при определенном сочетании значений параметров.

При планировании эксперимента в первую очередь определяются управляемые параметры, которые участвуют в эксперименте, так называемые факторы. Выявляются уровни факторов, т.е. значения, которые принимают параметры при проведении испытаний. По возможности следует выбирать минимум уровней и на практике ограничиваются только двумя: нижним и верхним значением соответствующего фактора, условно обозначаемым "-1" и "+1".  Если требуется исследовать влияние на отклик n различных факторов, все факторы фиксируют на некоторых уровнях, кроме одного, который изменяется при каждом прогоне модели. В следующей серии прогонов варьируется другой фактор. Последовательная комбинация всех уровней одного фактора со всеми уровнями других дает полный факторный эксперимент. План такого эксперимента для n факторов, варьируемых на двух уровнях, называется планом 2n. Матрица возможных сочетаний уровней факторов для плана 23 представлена в табл. 1.

Таблица 1

Матрица плана 2n

x1

x2

x3

-1

-1

-1

+1

-1

-1

-1

+1

-1

+1

+1

-1

-1

-1

+1

+1

-1

+1

-1

+1

+1

+1

+1

+1

Зависимость между реакцией системы и уровнями факторов есть факторная функция

y = (x1, x2, x3),

где xi - уровень i-го фактора (i = 13).

Представляя факторную функцию в виде уравнения регрессии:

для k = 3 получим:

где e - ошибка опыта,  которая предполагается независимой нормально распределенной случайной величиной со средним, равным нулю, и постоянной дисперсией.

Для оценки коэффициентов следует использовать план эксперимента 23. После добавления столбца из +1 и всех столбцов произведений исходных факторов по два и по три получим из исходной матрицы (см.табл.1) матрицу независимых переменных (табл. 2).

Таблица 2

Матрица независимых переменных при полном факторном эксперименте 23

x0

x1

x2

x3

x1x2

x1x3

x2x3

x1x2x3

+1

-1

-1

-1

+1

+1

+1

-1

+1

+1

-1

-1

-1

-1

+1

+1

+1

-1

+1

-1

-1

+1

-1

+1

+1

+1

+1

-1

+1

-1

-1

-1

+1

-1

-1

+1

+1

-1

-1

+1

+1

+1

-1

+1

-1

+1

-1

-1

+1

-1

+1

+1

-1

-1

+1

-1

+1

+1

+1

+1

+1

+1

+1

+1

Полный факторный эксперимент может потребовать существенных затрат машинного времени. В теории планирования экспериментов разработаны методы неполных факторных экспериментов. В случае такого эксперимента прогоны модели проводятся для тех опытов,  произведения значений трех уровней равны +1. При этом матрица независимых переменных принимает вид (табл.3).

Таблица 3

Матрица независимых переменных при неполном факторном эксперименте 23

x0

x1

x2

x3

+1

+1

-1

-1

+1

-1

+1

-1

+1

-1

-1

+1

+1

+1

+1

+1

Регрессивные коэффициенты находятся по методу наименьших квадратов:

                                                                                      (1)

где yi - значение реакции модели в i-м  испытании; xij  - значение j-го уровня в i-м испытании; n - число испытаний.

Тактическое планирование эксперимента

Предпринимается с целью дальнейшего снижения затрат машинного времени при проведении исследований на имитационных моделях при обеспечении достоверности результатов исследований. На этом этапе проводится решение задачи определения необходимого числа реализаций при одном прогоне модели и задачи уменьшения ошибок, обусловленных начальным состоянием модели, отличным от стационарного.

Решение первой задачи состоит в определении необходимого числа реализаций n, обеспечивающего заданную точность и надежность результата. Для вычисления значения n на практике применяются следующие соотношения, устанавливающие зависимость между n, доверительной вероятностью и доверительным интервалом 2  искомого параметра:

1) при определении математического ожидания:

где x2 - дисперсия случайной величины x; - величина доверительного интервала; t - параметр распределения (наиболее часто встречающиеся пары  и t приведены в табл. 4);

Таблица 4

0,80

0,85

0,90

0,95

0,99

0,995

0,999

t

1,28

1,44

1,65

1,98

2,53

2,81

3,30

2) при определении вероятности события:

где  p - вероятность наступления события.

Так как до начала испытаний x и p неизвестны, то рекомендуются следующие приемы:

1) для нахождения x - по определенному значению размаха колебаний случайной величины x = max /4 или по пробной серии испытаний нахождением оценки sx этой величины;

2) для нахождения p - предварительной оценкой на малом числе испытаний или принятием наихудшего варианта p=0,5.

Относительно решения второй задачи следует указать, что большинство имитационных моделей используется для изучения установившихся (стационарных) режимов функционирования исследуемых объектов. Однако в начальный период работы модели (также как и реального объекта) существует переходный режим. Длительность этого режима может быть большой и значения выходных параметров, измеренные в переходный период, смещают их итоговые оценки.

Существуют следующие методы уменьшения таких ошибок:

1) увеличение периода моделирования для нивелирования оценок;

2) инициация модели не с "нулевого", а со специально заданного состояния, близкого к установившемуся;

3) выбор начального момента сбора статистики не с начального момента, а по истечении некоторого времени.

Первый метод приводит к значительному увеличению периода модельных исследований. Второй требует разработки дополнительных аналитических моделей, не лишенных жестких ограничений. Результаты аналитического моделирования используются для установления в имитационной модели параметров стационарного режима. Третий метод основан на знании длительности переходного режима, а это также требует предварительных исследований. Поэтому на практике ограничиваются отсечением начального периода, равного 3-4-кратному времени прохождения модели самыми "медленными" заявками.

Постановка задачи на лабораторную работу

Подготовка к работе:

По данному описанию и рекомендованной литературе изучить основные положения, связанные с организацией модельных исследований.

Задание по экспериментальной части:

Исследовать варианты построения вычислительного комплекса и определить направления его совершенствования с целью увеличения реальной производительности.

Исходные данные:

тип структуры МПК

число процессоров  -  n;

число модулей ОП -  m;

среднее время выполнения команды процессором - Tпр (фиксировано и составляет 100 мкс);

время обращения к памяти - TОП (фиксировано и составляет 50 мкс);

время коммутации - Tком.

Требуется определить:

влияние параметров МПК на его производительность

Методические указания по выполнению работы:

Модели, подлежащие исследованию, записаны на рабочей дискете с системой моделирования под именами:

modelvk.gps  - модель МПК полносвязной структуры;

modelosh.gps - модель МПК на основе общей шины.

Запуск модели осуществляется набором в командной строке сообщения:

gpss.bat <имя модели>.

По окончании прогона модели результаты помещаются на рабочий диск в файл с однотипным именем и расширением .lst.

Описания моделей в виде текстов программ на GPSS приведены в приложении к методическим указаниям по проведению лабораторной работы 4.

При выполнении экспериментальной части студент должен:

проанализировать задание в соответствии с указанным преподавателем вариантом и уточнить задачу исследования;

составить план проведения эксперимента;

вызвать на компьютере для редактирования текст программы с требуемой для работы моделью;

ввести исходные данные по первой вариации плана и запустить модель на выполнение;

из листинга выбрать значение результата и занести его в вектор наблюдений;

пункты 3-5 повторить по каждой вариации плана эксперимента;

в соответствии с выражением (1) рассчитать значение коэффициентов j;

составить уравнение регрессии и по значениям его коэффициентов определит характер влияния параметров МПК на его производительность.

Примечание: при необходимости следует уточнить исходные данные и искомые характеристики у преподавателя.

Содержание отчета

План эксперимента.

Исходные данные для проведения исследования.

Распечатки листингов с результатами.

Уравнение регрессии.

Выводы по результатам исследований.

Контрольные вопросы

В чем сущность планирования эксперимента?

Задачи стратегического и тактического планирования эксперимента.

Пояснить термин «уровень фактора» и как выбираются уровни при планировании.

Что такое «уравнение регрессии»?

Пояснить физический смысл знака при коэффициенте уравнения регрессии.

Как изменится число прогонов модели при а) увеличении доверительной вероятности; б) при уменьшении доверительного интервала?

Варианты работы

Тип структуры ВК

n

m

Tком (мкс)

-1

+1

-1

+1

-1

+1

1.

полносвязная

2

10

5

8

15

5

2.

полносвязная

4

14

3

10

20

10

3.

полносвязная

2

12

4

9

25

5

4.

с общей шиной

2

10

5

8

15

5

5.

с общей шиной

4

14

3

10

20

10

6.

с общей шиной

2

12

4

9

25

5

Литература:

Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979.

Моделирование сложных дискретных систем на ЭВМ третьего поколения: (Опыт применения GPSS). Голованов О.В. и др. М.: Энергия, 1978.

Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Курсовое проектирование. М.: Высшая школа, 1988.

Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Лабораторный практикум. М.: Высшая школа, 1988.

Черненький В.М. Имитационное моделирование. Разработка САПР. Книга 9. М.: Высшая школа, 1990.

Шрайбер Т.Дж. Моделирование на GPSS. М.: Машиностроение, 1980.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28228. Акцептор действия П.К.Анохина 1.08 MB
  Акцептор действия П. Внешний раздражитель вступает во взаимодействие с другими афферентными возбуждениями имеющими другой функциональный смысл и только в зависимости от синтеза всех этих афферентаций создаются условия для формирования целенаправленного действия. Обратная афферентация информирует о результатах совершенного действия давая возможность организму оценить степень успеха выполняемого им действия. Акцептор результатов действия предназначен для восприятия информации о полученном результате и сравнения ее с теми параметрами...
28229. Эмоции: их физиологические механизмы и психологические функции 50.5 KB
  Эмоции: их физиологические механизмы и психологические функции. Эмоции одна из форм отражения. Эмоции отражают не сами объекты предметы явления а их отношения к потребностям целям и мотивам деятельности человека переживающего эти эмоции. Эмоции это процессы отражающие личную значимость и оценку внешних и внутренних ситуаций для жизнедеятельности человека в форме переживаний.
28230. Классификация эмоций. Эмоции и чувства. Виды чувств 36 KB
  Эмоции и чувства. По критерию мобилизации ресурсов организма: стенические вызывают прилив энергии астенические По модальности Плутчек: любовь Радость Принятие оптимизм подчинение Страх Удивление Печаль Отвращение Гнев агрессия благоговение Ожидание разочарование презрение жалость Основные виды эмоций классификация по силе и деятельности проявлений: аффекты страсти собственно эмоции настроение чувства стресс. Чувства еще...
28231. Способы управления эмоциями. Защитные механизмы и совладающее поведение 43.5 KB
  Защитные механизмы и совладающее поведение. Защитные механизмы психики. Отрицание Проекция Приписывает свои мотивы другим людям атрибутивнаяособзает черту и бессознателтно приписывает другим комплементарная осознает но источник лежит в другом классическая не признает качество Смешение Смещение объекта смещение влечения Регрессия объекта при разводе к маме Идентификация принимает личные характеристики другого на себя Компенсация Реактивное образование Замена на противоположные импульсы Рационализация Сублимация...
28232. Психические состояния и их классификация 31.5 KB
  Левитов: Состояние целостная характеристика психической деятельности и поведения за некоторый период времени показывающая своеобразие протекания психических процессов в зависимости от отражения объектов и явлений действительности в настоящий момент в зависимости от конкретной ситуации предшествующего состояния и психических свойств личности. Состояние целостная организация поведения и деятельности за определенный момент времени. Психическое состояние относительно устойчивое психическое явление характеризующее психику в целом фон на...
28233. Диагностические и прогностические возможности интеллектуального тестирования (краткая характеристика основных интеллектуальных) 64 KB
  В отечественной психологии интеллект рассматривается как компонент индивидуальности связанный с личностными характеристиками исследования связей интеллекта с эмоциональноволевыми особенностями социальноэкономическими условиями и т. В истории исследования генезиса интеллекта человека можно выделить 2 главных подхода взаимно обогащающих друг друга. Источник развития интеллекта в нем самом развитие представляет собой развертывание стадий операторных механизмов по сформированным природой алгоритмам. Интеллект необходимо рассматривать как...
28234. ПСИХОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЧЕЛОВЕКА (ИНДИВИД-ЛИЧНОСТЬ-ИНДИВИДУАЛЬНОСТЬ) В РАБОТАХ Б.Г.АНАНЬЕВА 32 KB
  Форма развития индивида онтогенетическая эволюция которая идет по филогенетической программе но модифицируется под влиянием социальной истории в соответствии с возрастом и индивидуальной изменчивостью: постепенно усиливается влияние социальных свойств личности. На развитие индивида накладывается развитие личности → ступени общественного воспитания образования и обучения стали определяющими характеристиками периодов развития индивида. статус личности в обществе активная позиция человека статус общности в которой формировалась личность...
28235. Развитие сознания и самосознания в онтогенезе. Функции самосознания: самопознание, саморегуляция и самоорганизация 35 KB
  Во всех видах деятельности и поведения эти отношения следуют за отношением к ситуации предмету деятельности к другим людям. Требуется накопление опыта множества подобных осознаний себя субъектом поведения для того чтобы oтношение к себе превратились в свойство называемое рефлексивностью. Чужую самооценку например родительскую; Способы регуляции поведения; 6. Самосознание культурный феномен позволяющий сохранять постоянство собственного поведения и испытывать чувство ответственности за социальные ценности усвоенные индивидом.
28236. «Образ Я» и «Я-концепция». Структура, этапы формирования, функции имеханизмы защиты 42.5 KB
  Описательная составляющая Яконцепции образ Я или картина Я; составляющая связанная с отношением к себе или к отдельным своим качествам самооценка или принятие себя. Три главных элемента Я концепции: Когнитивная составляющая образ Я представление индивида о самом себе. Составляющие Яконцепции: реальное Я представление о себе в настоящем времени идеальное Я то каким субъект по его мнению должен был бы стать ориентируясь на моральные нормы. Бернс выделяет следующие основные ракурсы Яконцепции: Реальное Я установки...