正交试验设计法与价值工程讲义
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正交试验设计法与价值工程简介
第一节 正交试验设计法 第二节 价值工程简介
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第一节 正交试验设计法
一、概述 二、正交表 三、常用正交试验设计与分析
一、概述
正交试验设计法（正交试验法）－是利用正交表来合理安排试验的 一种方法。
安排任何一项试验，首先要明确试验的目的是什么？用什么指标来 衡量考核的结果？对试验指标可能有影响的因素是什么？为了搞清楚影 响因素，应当把因素选择在哪些水平上？。
一、概述
指标 就是试验要考核的效果。在正交试验中，主要设计可测量的 定量指标，常用X、Y、Z来表示。
因素 是指对试验指标可能产生影响的原因。因素是在试验中应当 加以考察的重点内容，一般用A、B、C、• • • 来表示。在正交试验中， 只选取可控因素参加试验。
水平 是指因素在试验中所处的状态或条件。对于定量因素，每一 个选定值即为一个水平。水平又叫位级，一般用1、2、3、• • • 来表示。 在试验中需要考察某因素的几种状态时，则称该因素为几水平（位级） 的因素。
二、正交表
正交表 在设计安排正交试验时制作好的标准化的表格。
L4（23）正交表
行（试
列号
验）号
1
2
3
1
1
1
1
2
2
1
2
3
1
2
2
4
2
2
1
正交表代号
正交表字码总数 （可安排的水平数）
L4 （23）
正交表行数
正交表列数 （可安排的因素数）
二、正交表
正交表的性质：
1. 均衡分散性。由于每一列中各种字码出现相同的次数， 这就保证了试验条件均衡地分散在配合完全的水平组合中， 因而代表性强，容易出现好条件。（效率高） 2. 整齐可比性。由于任意两列中全部有序的数字对出现相 同的次数，这就保证了在各个水平的效果之中，最大限度地 排除了其他因素的干扰，因而能最有效地进行比较，作出展 望。（效果好）
三、常用正交试验设计与分析
常用正交试验设计与分析的步骤如下：
1. 明确试验目的； 2. 确定考察的指标； 3. 挑因素，选水平（位级）； 4. 设计试验方案； 5. 实施试验方案； 6. 试验结果分析（一般用目测法、极差分析法、画趋势图等）； 7. 反复调优试验以逼近最优方案； 8. 验证试验并通过生产验证确认较优方案。
三、常用正交试验设计与分析－示例
1、明确试验目的
2,4－二硝基苯肼是× × 化工厂生产的一种试剂产品。 过去的工艺过程长、工作量大，且产品经常不合格。今采用 2,4－二硝基氯代苯（以下简称氯代苯）与水合肼在乙醇作溶 剂下合成的新工艺，小试已初步成功，但产率只有45％，希 望通过正交试验，找出好的生产条件，达到优质增产的目的。
2、确定考察指标
要考察的指标： 产率 （ ％ ）； 外观 （ 颜色 ）。
3、挑因素、选水平（位级），制定因素水平（位级）表
经分析决定考察乙醇用量、水合肼用量、反应温度、反应时间、水 合肼品种、搅拌速度六种等因素，每种因素各选出两个水平（位级）。
因素位级表
因素
位级
1
2
考察原因
乙醇用量 A（ml）
200
0
能否省下乙醇，砍掉中途加乙醇这道工序
水合肼用量 B
理论量的2倍 理论量的1.2倍 水合肼用量应超出理论量多少？
温度 C（℃ ）
回流
60
回流温度便于操作，但对反应是否有利？
时间 D（h）
4
2
不同操作方法对产率和质量的影响。
水合肼纯度 E 精品（50％） 粗品（20％） 能否用粗品取代精品，以降低成本，保障原材料供应
搅拌速度 F
中速
快速
不同操作方法对产率和质量的影响。
4、设计试验方案
1. 因素顺序上列
2. 位级对号入座
L8（26）
因素
试 验
乙醇用量
水合肼用量
温度
时间
号 A1 A2 BI B2 C1 C2 D1 D2
200ml 0 ml 2倍 1.2倍 回流 60 ℃ 4h 2h
11
1
1
2
2
21
2
2
31
2
2
2
4
2
2
1
2
51
1
1
1
6
21
2
1
71
2
2
1
8
2
2
1
1
水合肼纯度 搅拌速度
E1 E2 F1 F2 精品 粗品 中速 快速
2
1
1
1
2
2
1
2
1
2
2
2
1
1
2
1
5、实施试验方案
L8（26）
因素
试 验
乙醇用量
水合肼用量
温度
号 A1 A2 BI B2 C1 C2
200ml 0 ml 2倍 1.2倍 回流 60 ℃
时间
D1 D2 4h 2h
试验结果
水合肼纯度
E1 E2 精品 粗品
搅拌速度
F1 F2 中速 快速
产率 (％)
颜色
11
1
1
2
21
56 合格
2
21
2
21
1
65 紫色
31
2
2
2
2
2 54 合格
4
2
21
21
2 43 合格
51
1
1
1
1
2 63 合格
6
21
21
2
2 60 合格
71
2
21
1
1
42 紫色
8
2
21
1
21
42 合格
6、试验结果分析
1) 直接看，可靠又方便。
产率：
颜色：
2) 算一算，有效又简单。
I ＝∑ A1， ∑ B1， ∑ C1，•••； II＝∑ A2， ∑ B2， ∑ C2，•••； R＝ AI－AII ， BI－BII ， CI－CII ，•••； 比极差R：若 R大，表示该列因素对产率的影响敏感，是重要因素；
若R小，表示该列因素对产率的影响不敏感，是不重要因素。 确定因素排序：主→ 次（R：大→ 小）
比位级：若 I＞ II，则该列因素的位级1比位级2好； 若I＜ II，则该列因素的位级2比位级1好。 确定因素的位级或取舍
6、试验结果分析
3) “直接看”和“算一算”的关系。 如果生产上急需，通常应优先补充试验“算一算”的好条件。经过
验证，如果效果真有所提高，就可将它交付生产上使用。
①倘若验证后的效果比不上“直接看”的好条件，就说明该试验的 现象比较复杂。②还有一种情况是，试验时间较长，等不到验证试验的 结果。对于这两种情况，生产上可先用“直接看”的好条件，也可结合 具体情况作些修改；与此同时，另行安排试验，寻找更好的条件。
6、试验结果分析－ L8（26）
L8（26）
因素
试 验
乙醇用量
水合肼用量
温度
号 A1 A2 BI B2 C1 C2
200ml 0 ml 2倍 1.2倍 回流 60 ℃
时间
D1 D2 4h 2h
水合肼纯度
E1 E2 精品 粗品
搅拌速度
F1 F2 中速 快速
试验结果
产率 (％)
颜色
11
1
1
2
21
56 合格
2
21
2
21
1
65 紫色
31
2
2
2
2
2 54 合格
4
2
21
21
2 43 合格
51
1
1
1
1
2 63 合格
6
21
21
2
2 60 合格
第一节 正交试验设计法 第二节 价值工程简介
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第一节 正交试验设计法
一、概述 二、正交表 三、常用正交试验设计与分析
一、概述
正交试验设计法（正交试验法）－是利用正交表来合理安排试验的 一种方法。
安排任何一项试验，首先要明确试验的目的是什么？用什么指标来 衡量考核的结果？对试验指标可能有影响的因素是什么？为了搞清楚影 响因素，应当把因素选择在哪些水平上？。
一、概述
指标 就是试验要考核的效果。在正交试验中，主要设计可测量的 定量指标，常用X、Y、Z来表示。
因素 是指对试验指标可能产生影响的原因。因素是在试验中应当 加以考察的重点内容，一般用A、B、C、• • • 来表示。在正交试验中， 只选取可控因素参加试验。
水平 是指因素在试验中所处的状态或条件。对于定量因素，每一 个选定值即为一个水平。水平又叫位级，一般用1、2、3、• • • 来表示。 在试验中需要考察某因素的几种状态时，则称该因素为几水平（位级） 的因素。
二、正交表
正交表 在设计安排正交试验时制作好的标准化的表格。
L4（23）正交表
行（试
列号
验）号
1
2
3
1
1
1
1
2
2
1
2
3
1
2
2
4
2
2
1
正交表代号
正交表字码总数 （可安排的水平数）
L4 （23）
正交表行数
正交表列数 （可安排的因素数）
二、正交表
正交表的性质：
1. 均衡分散性。由于每一列中各种字码出现相同的次数， 这就保证了试验条件均衡地分散在配合完全的水平组合中， 因而代表性强，容易出现好条件。（效率高） 2. 整齐可比性。由于任意两列中全部有序的数字对出现相 同的次数，这就保证了在各个水平的效果之中，最大限度地 排除了其他因素的干扰，因而能最有效地进行比较，作出展 望。（效果好）
三、常用正交试验设计与分析
常用正交试验设计与分析的步骤如下：
1. 明确试验目的； 2. 确定考察的指标； 3. 挑因素，选水平（位级）； 4. 设计试验方案； 5. 实施试验方案； 6. 试验结果分析（一般用目测法、极差分析法、画趋势图等）； 7. 反复调优试验以逼近最优方案； 8. 验证试验并通过生产验证确认较优方案。
三、常用正交试验设计与分析－示例
1、明确试验目的
2,4－二硝基苯肼是× × 化工厂生产的一种试剂产品。 过去的工艺过程长、工作量大，且产品经常不合格。今采用 2,4－二硝基氯代苯（以下简称氯代苯）与水合肼在乙醇作溶 剂下合成的新工艺，小试已初步成功，但产率只有45％，希 望通过正交试验，找出好的生产条件，达到优质增产的目的。
2、确定考察指标
要考察的指标： 产率 （ ％ ）； 外观 （ 颜色 ）。
3、挑因素、选水平（位级），制定因素水平（位级）表
经分析决定考察乙醇用量、水合肼用量、反应温度、反应时间、水 合肼品种、搅拌速度六种等因素，每种因素各选出两个水平（位级）。
因素位级表
因素
位级
1
2
考察原因
乙醇用量 A（ml）
200
0
能否省下乙醇，砍掉中途加乙醇这道工序
水合肼用量 B
理论量的2倍 理论量的1.2倍 水合肼用量应超出理论量多少？
温度 C（℃ ）
回流
60
回流温度便于操作，但对反应是否有利？
时间 D（h）
4
2
不同操作方法对产率和质量的影响。
水合肼纯度 E 精品（50％） 粗品（20％） 能否用粗品取代精品，以降低成本，保障原材料供应
搅拌速度 F
中速
快速
不同操作方法对产率和质量的影响。
4、设计试验方案
1. 因素顺序上列
2. 位级对号入座
L8（26）
因素
试 验
乙醇用量
水合肼用量
温度
时间
号 A1 A2 BI B2 C1 C2 D1 D2
200ml 0 ml 2倍 1.2倍 回流 60 ℃ 4h 2h
11
1
1
2
2
21
2
2
31
2
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4
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2
1
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1
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6
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2
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2
2
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8
2
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1
1
水合肼纯度 搅拌速度
E1 E2 F1 F2 精品 粗品 中速 快速
2
1
1
1
2
2
1
2
1
2
2
2
1
1
2
1
5、实施试验方案
L8（26）
因素
试 验
乙醇用量
水合肼用量
温度
号 A1 A2 BI B2 C1 C2
200ml 0 ml 2倍 1.2倍 回流 60 ℃
时间
D1 D2 4h 2h
试验结果
水合肼纯度
E1 E2 精品 粗品
搅拌速度
F1 F2 中速 快速
产率 (％)
颜色
11
1
1
2
21
56 合格
2
21
2
21
1
65 紫色
31
2
2
2
2
2 54 合格
4
2
21
21
2 43 合格
51
1
1
1
1
2 63 合格
6
21
21
2
2 60 合格
71
2
21
1
1
42 紫色
8
2
21
1
21
42 合格
6、试验结果分析
1) 直接看，可靠又方便。
产率：
颜色：
2) 算一算，有效又简单。
I ＝∑ A1， ∑ B1， ∑ C1，•••； II＝∑ A2， ∑ B2， ∑ C2，•••； R＝ AI－AII ， BI－BII ， CI－CII ，•••； 比极差R：若 R大，表示该列因素对产率的影响敏感，是重要因素；
若R小，表示该列因素对产率的影响不敏感，是不重要因素。 确定因素排序：主→ 次（R：大→ 小）
比位级：若 I＞ II，则该列因素的位级1比位级2好； 若I＜ II，则该列因素的位级2比位级1好。 确定因素的位级或取舍
6、试验结果分析
3) “直接看”和“算一算”的关系。 如果生产上急需，通常应优先补充试验“算一算”的好条件。经过
验证，如果效果真有所提高，就可将它交付生产上使用。
①倘若验证后的效果比不上“直接看”的好条件，就说明该试验的 现象比较复杂。②还有一种情况是，试验时间较长，等不到验证试验的 结果。对于这两种情况，生产上可先用“直接看”的好条件，也可结合 具体情况作些修改；与此同时，另行安排试验，寻找更好的条件。
6、试验结果分析－ L8（26）
L8（26）
因素
试 验
乙醇用量
水合肼用量
温度
号 A1 A2 BI B2 C1 C2
200ml 0 ml 2倍 1.2倍 回流 60 ℃
时间
D1 D2 4h 2h
水合肼纯度
E1 E2 精品 粗品
搅拌速度
F1 F2 中速 快速
试验结果
产率 (％)
颜色
11
1
1
2
21
56 合格
2
21
2
21
1
65 紫色
31
2
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2 54 合格
4
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2 43 合格
51
1
1
1
1
2 63 合格
6
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21
2
2 60 合格