第五章 正交试验设计分析

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第五章 正交试验设计
2 正交试验设计的基本程序
对于多因素试验,正交试验设计是 简单常用的一种试验设计方法,其设计 基本程序如图所示。正交试验设计的基 本程序包括试验方案设计及试验结果分 析两部分。
试验目的与要求
试验方案设计:
试验指标
选因素、定水平 因素、水平确定 选择合适正交表 表头设计 列试验方案 试验结果分析
5-3 因素水平表
试验因素 水平 加水量 加酶量 (mL/100g) (mL/100g) A B 10 50 90 1 4 7 酶解温度 (℃) C 20 35 50 酶解时间 ( h) D 1.5 2.5 3.5
1 2 3
(3) 选择合适的正交表
正交表的选择是正交试验设计的首要问题。确定了 因素及其水平后,根据因素、水平及需要考察的交互作 用的多少来选择合适的正交表。正交表的选择原则是在 能够安排下试验因素和交互作用的前提下,尽可能选用 较小的正交表,以减少试验次数。 一般情况下,试验因素的水平数应等于正交表中的 水平数;因素个数(包括交互作用)应不大于正交表的 列数;各因素及交互作用的自由度之和要小于所选正交 表的总自由度,以便估计试验误差。若各因素及交互作 用的自由度之和等于所选正交表总自由度,则可采用有 重复正交试验来估计试验误差。
(2) 选因素、定水平,列因素水平表
根据专业知识、以往的研究结论和经验,从影响试验指标的 诸多因素中,通过因果分析筛选出需要考察的试验因素。一般确 定试验因素时,应以对试验指标影响大的因素、尚未考察过的因 素、尚未完全掌握其规律的因素为先。试验因素选定后,根据所 掌握的信息资料和相关知识,确定每个因素的水平,一般以2-4 个水平为宜。对主要考察的试验因素,可以多取水平,但不宜过 多(≤6),否则试验次数骤增。因素的水平间距,应根据专业 知识和已有的资料,尽可因素与指标趋势图 以各因素水平为横坐标,试验指标的平均值(kjm) 为纵坐标,绘制因素与指标趋势图。由因素与指标趋 势图可以更直观地看出试验指标随着因素水平的变化 而变化的趋势,可为进一步试验指明方向。 以上即为正交试验极差分析的基本程序与方法
表5-8 试验结果分析
试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1 K2 K3 k1 k2 k3 极差R 主次顺序 优水平 优组合 A2 因素 A 1 1 1 2 2 2 3 3 3 41 87 61 13.7 29.0 20.3 15.3 B 1 2 3 1 2 3 1 2 3 13 82 94 4.3 27.3 31.3 27.0 C 1 2 3 2 3 1 3 1 2 46 71 72 15.3 23.7 24.0 8.7 D 1 2 3 3 1 2 2 3 1 89 46 54 29.7 15.3 18.0 14.3 液化率 % 0 17 24 12 47 28 1 18 42
艺制造山楂原汁,拟通过正交试验来寻找酶法液化的 最佳工艺条件。
2.1 试验方案设计
(1) 明确试验目的,确定试验指标 试验设计前必须明确试验目的,即本次试验要 解决什么问题。试验目的确定后,对试验结果如何衡 量,即需要确定出试验指标。试验指标可为定量指 标,如强度、硬度、产量、出品率、成本等;也可为 定性指标如颜色、口感、光泽等。一般为了便于试验 结果的分析,定性指标可按相关的标准打分或模糊数 学处理进行数量化,将定性指标定量化。
同理,可以计算并确定B3、C3、D1分别为 B、C、D因素的优水平。四个因素的优水平 组合A2B3C3D1为本试验的最优水平组合,即 酶法液化生产山楂清汁的最优工艺条件为加水 量50mL/100g,加酶量7mL/100g,酶 解温度为50℃,酶解时间为1.5h。
(2) 确定因素的主次顺序
根据极差Rj的大小,可以判断各因素对试验指标的影响 主次。本例极差Rj计算结果见表5-8,比较各R值大小,可 见RB>RA>RD>RC,所以因素对试验指标影响的主→次顺序 是BADC。即加酶量影响最大,其次是加水量和酶解时间, 而酶解温度的影响较小。
3 正交试验的结果分析
3.1 直观分析法-极差分析法
计算简便,直观,简单易懂,是正交试验结 果分析最常用方法。以上例为实例来说明极差分 析过程。 Kjm,kjm 1. 计算
极差分析法-R法 Rj 因素主次
2. 判断
优水平 优组合
3.1 不考察交互作用的试验结果分析
(1) 确定试验因素的优水平和最优水平组合
B>A>D>C B3 C3 A2B3C3D1 D1
表5-8 试验结果分析
试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1 K2 K3 k1 k2 k3 极差R 主次顺序 优水平 优组合 因素 A 1 1 1 2 2 2 3 3 3 41 87 61 13.7 29.0 20.3 15.3 A2 B 1 2 3 1 2 3 1 2 3 13 82 94 4.3 27.3 31.3 C 1 2 3 2 3 1 3 1 2 46 71 72 15.3 23.7 24.0 D 1 2 3 3 1 2 2 3 1 89 46 54 29.7 15.3 18.0 14.3 D1 液化率% 0 17 24 12 47 28 1 18 42
E 空列 2 2 3 3 4 4 1 1 3 3 2 2 1 1 4 4
结果 36.20 31.54 30.09 29.32 31.77 35.02 32.37 32.64 38.79 30.90 32.87 34.54 38.02 35.62 34.02 32.80
2.2 试验结果分析
分清各因素及其交互作用的主次顺序,分清哪个是 主要因素,哪个是次要因素; 判断因素对试验指标影响的显著程度; 找出试验因素的优水平和试验范围内的最优组合, 即试验因素各取什么水平时,试验指标最好; 分析因素与试验指标之间的关系,即当因素变化 时,试验指标是如何变化的。找出指标随因素变化 的规律和趋势,为进一步试验指明方向; 了解各因素之间的交互作用情况; 估计试验误差的大小。
表5-4 表头设计
列号 因素
1 A
2 B
3 C
4 D
(5)编制试验方案,按方案进行试验,记录试验结果。
把正交表中安排各因素的列(不包含欲考 察的交互作用列)中的每个水平数字换成该因 素的实际水平值,便形成了正交试验方案(表 5-5)。
表5-5 试验方案及试验结果 试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 因 A 1 (10) 1 1 1 2 (50) 2 2 2 3 (90) 3 3 3 B 11(1) 22(4) 33(7) 1 2 3 1 2 3 素 C 1 (20) 1 2 (35) 2 3 (50) 3 2 3 1 3 1 2 D 1 1(1.5) 2 2(2.5) 3 3(3.5) 3 1 2 2 3 1 试验结果 (液化率 %) 0 17 24 12 47 28 1 18 42
等水平正交表
c) La(b
因素个数,列数 正交设计
c) L a( b
试验总次数,行数
因素水平数
正交表选择依据:
列:正交表的列数c≥因素所占列数+交
互作用所占列数+空列。
自由度:正交表的总自由度(a-1)≥因
素自由度+交互作用自由度+误差自由度。
此例有 4 个 3 水平因素,可以选用 L9(34) 或 L27(313) ;因本试验仅考察四个因素对液化率的影 响效果,不考察因素间的交互作用,故 宜选用 L9 ( 34 ) 正交表。 若要考察交互作用,则应选用 L27(313)。
KA2=y4+y5+y6=12+47+28=87,kA2=KA2/3=29;
A因素的3水平所对应的试验指标之和为
KA3=y7+y8+y9=1+18+42=61,kA3=KA3/3=20.3。
根据正交设计的特性,对A1、A2、A3来 说,三组试验的试验条件是完全一样的(综合 可比性),可进行直接比较。如果因素A对试 验指标无影响时,那么kA1、kA2、kA3应该相 等,但由上面的计算可见,kA1、kA2、kA3实际 上不相等。说明,A因素的水平变动对试验结 果有影响。因此,根据kA1、kA2、kA3的大小可 以判断A1、A2、A3对试验指标的影响大小。由 于试验指标为液化率,而kA2>kA3>kA1,所以 可断定A2为A因素的优水平。
对本试验分析,影响山楂液化率的因素很多, 如山楂品种、山楂果肉的破碎度、果肉加水量、原 料pH 值、果胶酶种类、加酶量、酶解温度、酶解 时间等等。经全面考虑,最后确定果肉加水量、加 酶量、酶解温度和酶解时间为本试验的试验因素, 分别记作A、B、C和D,进行四因素正交试验,各 因素均取三个水平,因素水平表见表5-3所示。
(4) 表头设计 所谓表头设计,就是把试验因素和要考察的交 互作用分别安排到正交表的各列中去的过程。 在不考察交互作用时,各因素可随机安排在各 列上;若考察交互作用,就应按所选正交表的交互 作用列表安排各因素与交互作用,以防止设计“混 杂” 。
此例不考察交互作用,可将加水量(A)、加酶量(B)和酶 解温度 (C)、酶解时间(D)依次安排在L9(34)的第1、 2、3、4列上,见表5-4所示。
试验结果分析:
进行试验,记录试验结果
试验结果极差分析 计 算 极 差 R
绘 制 因 素 指 标 趋 势 图
试验结果方差分析 计算各列偏差平方 和、自由度 列方差分析表, 进行F 检验 分析检验结果, 写出结论
计 算 K 值
计 算 k 值
优水平 优组合
因素主次顺序
结 论
例5-1 :为提高山楂原料的利用率,研究酶法液化工
说明:试验号并非试验顺序,为了排除误差干扰,试验中可随机进行; 安排试验方案时,部分因素的水平可采用随机安排。
例5-2 鸭肉保鲜天然复合剂的筛选。试验以茶多酚 作为天然复合保鲜剂的主要成分,分别添加不同增效 剂、被膜剂和不同的浸泡时间,进行4因素4水平正 交试验。试设计试验方案。 有机酸和盐处理对鸭肉保鲜有明显效果,但大部分 属于合成的化学试剂,在卫生安全上得不到保证, 并且不符合满足消费者纯天然、无污染的要求。 ① 明确目的,确定指标。本例的目的是通过试验,寻 找一个最佳的鸭肉天然复合保鲜剂。 ② 选因素、定水平。根据专业知识和以前研究结 果,选择4个因素,每个因素定4个水平,因素水平表 见表5-6。
A茶多酚浓度/% 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
B增效剂种类 2 4 4 2 3 1 1 3 1 3 3 1 4 2 2 4
C被膜剂种类 3 1 3 1 1 3 1 3 4 2 4 2 2 4 2 4
D浸泡时间/min 3 2 4 1 4 1 3 2 2 3 1 4 1 4 2 3
表5-6 天然复合保鲜剂筛选试验因素水平表
水平 1 2 3 4
因素 A茶多酚浓度/% B增效剂种类 0.2 0.1%柠檬酸 0.3 0.2%β-CD 0.4 生姜汁 C被膜剂种类 0.8%海藻酸钠 1.0%海藻酸钠 1.0%葡萄糖 D浸泡时间/min 1 2 3 4 0.1 0.5%维生素C 0.5%海藻酸钠
27.0 8.7 B>A>D>C B3 C3 A2 B3 C3 D1
例5-2试验结果极差分析 (1)计算Ki值。Ki为同一水平之和。以第一列A因 素为例:
K1=36.20+31.77+38.79+38.02=144.78 K2=31.54+35.02+30.90+35.62=133.08 K3=30.09+32.37+32.87+34.02=129.35 K4=29.32+32.64+34.54+32.80=129.30
③ 选择正交表。此试验为4因素4水平试验,不考虑交 互作用,4因素共占4列,选L16(45)最合适,并有 1空列,可以作为试验误差以衡量试验的可靠性。 ④ 表头设计。4因素任意放置。 ⑤ 编制试验方案。试验方案见表5-7。
表5-7 天然复合保鲜剂筛选试验方案
试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
因素水平a茶多酚浓度b增效剂种类c被膜剂种类d浸泡时间min10105维生素c05海藻酸钠120201柠檬酸08海藻酸钠230302cd10海藻酸钠3404生姜汁10葡萄糖45?6天然复合保鲜剂筛选试验因素水平表表试验号a茶多酚浓度b增效剂种类c被膜剂种类d浸泡时间mine空列结果112332233441133221144362022412315433434300944211293251314317762131350273113323784332326491142387910232330901133413287124124345413142138021422443562153222340216444332805?7天然复合保鲜剂筛选试验方案22试验结果分析?分清各因素及其交互作用的主次顺序分清哪个是主要因素哪个是次要因素
分析A因素各水平对试验指标的影响。由表3可以看出,A1 的影响反映在第1、2、3号试验中,A2的影响反映在第4、 5、6号试验中,A3的影响反映在第7、8、9号试验中。 A因素的1水平所对应的试验指标之和为
KA1=y1+y2+y3=0+17+24=41,kA1= KA1/3=13.7;
A因素的2水平所对应的试验指标之和为
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