DOE基础知识(JMP软件应用)讲解

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实验设计(DOE)的基本概念
罗纳德· 费雪爵士
现代统计学与现代演化论的奠基者之一 安德斯·哈尔德称他是“一位几乎独自建立现代统计科学的天才” 理查·道金斯则认为他是“达尔文最伟大的继承者” 1916年完成，1918年发表的论文同《孟德尔遗传假定下的亲戚之间的相关性》 同时建立了以生物统计为基础的遗传学，以及著名的统计学分法变异数分析 （analysis of variance，简写为ANOVA，也称方差分析）。 1925年，他的第一本书出版，书名为《研究者的统计方法》（Statistical Methods for Research Workers）。到了1935年，延续本书的《实验设计》（The Design of Experiments）出版。两本书建立了实验设计法的基础。
序号
金丝
Ball Shear
试验1
试验2
A
B
53
56
表2：从试验结果来看，B的金丝要好于A的金丝。
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实验设计(DOE)的基本概念
传统试验无因子交互作用的情报
在多因素试验中，各因素不仅各自独立地在起作用，而且各因素还经常联合起 来起作用。也就是说，不仅各个因素的水平改变时对试验指标有影响，而且各因 素的联合搭配对试验指标也有影响。这后一种影响就叫做因素的交互作用。 在传统实验中，因每一次试验仅改变一个因素，没有考虑因子间的交互作用。
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实验设计(DOE)的基本概念
试验设计的分类
试误法 传统实验 单因子法
实验
经典法 DOE 田口法 均匀设计法
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20世纪 20年代 20世纪 50年代
实验设计(DOE)的基本概念
三种试验设计方法大PK
DOE
单因子法 试误法
经验挂帅 不断尝试 没有系统化 不能传承 浪费资源
再现性低 无交互作用 试验规模大
交互作用示意图
50Kg 磷
50Kg 钾
20kg 磷 30kg 钾
30m
40m 25m
交互作用 = 总效果 - (20kg 磷的效果 + 30kg 钾的效果)
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实验设计(DOE)的基本概念
传统试验无法缩小实验规模
在传统实验下，7因子2水平之实验次数必须高达27=128次。 倘忽略三阶以上交互作用，仅考虑主因子及二阶交互作用，则DOE有可能只需 16次实验。下图是利用JMP软件的“定制试验”的DOE试验设计，从图中我们可以 看出只需要进行16次试验。
实验设计(DOE)的基本概念
传统试验的再现性低
例：现在我们要对两家供应商的金丝进行对比试验，以便确定选用哪一家的金丝。
序号 试验1 试验2
金丝 A B
参数设定
Force
25
Power
75
Hale Waihona Puke Baidu
Time
12
Ball Shear 55 46
表1:从试验结果来看，A的金丝要好于B的金丝。 参数设定 Force 20 Power 80 Time 10
DOE的发展
日本学者田口玄 一首先将DOE成功的 应用于新产品的开 发。利用DOE合理的 选择适当的参数， 可以大大改善产品 功能目标值的稳定 性，即所谓稳健性 设计
DOE与我们
建国初期，著名 数学家华罗庚带头 在我国农业、工业 领域推广DOE 上世纪七十年代 末，方开泰教授和 王元院士提出了著 名的"均匀设计"法
田口玄一博士
罗纳德· 费雪爵士 （Sir Ronald Aylmer Fisher, FRS) 1890.2.17－1962.7.29
田口玄一（Genichi Taguchi）博士是享誉全球的质量大师 1951年出版了第一本书介绍直交表（Orthogonal arrays） 1957-1958年，为一般工程师出版“实验设计”一书（计二册）。 在1970年代早期，田口博士发展质量损失函数的概念，并再修订其“实验设计” 一书 20世纪60年代，虽然田口方法的应用已传至台湾与印度，但对于西方国家而言 依旧是相当陌生。至此，田口方法的应用仍停留在生产的过程。 20世纪70年代之后，田口方法被使用至产品设计中 田口玄一 1951年和1953年获得戴明品质文献奖， 1960年获得戴明个人奖 、 1984年田口 （Genichi Taguchi） 再度获得戴明品质文献奖 8
再现性高 有交互作用 可缩小试验规 模 可判定因子的 影响
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实验设计(DOE)的基本概念
DOE的发展历程
DOE的出现
20世纪20年代由 英国学者费舍尔(R。 A。Fisher)率先提 出
DOE的应用
最初在农田试验 方面取得重要成果； 欧美各国将此法用 于生物学、医学等 领域的科学研究 二战后DOE在工 业中得到推广和应 用
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实验设计(DOE)的基本概念
DOE的含义
一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法；对试验进行合理的安排，以较 小的试验规模(试验次数)、较短的试验周期和较低的试验成本，获得理想的试 验结果和正确的结论。
Factors因子 可控制的变量
材料
过程
Response响应 可测量的输出
ˆ Y Y
Noise噪音 非可控制变量
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内容概要
DOE的基本概念
确立DOE的观念，对DOE有一个初步的了解。
DOE的基础知识
了解DOE中所涉及的一些其它方面的知识。
DOE实例讲解
了解DOE的试验方法与试验步骤，并了解如何对实验结果进行分析。
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&1.实验设计(DOE)的基本概念
这一节中我们主要是对什么叫DOE、以及DOE与其它试验 的区别、DOE的起源与发展、DOE有什么作用、DOE中一 些常用的术语、DOE的软件等方面进行一些简单的介绍， 以方便大家对DOE有一个初步的了解，在脑海中对DOE有 一个初步的概念。
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实验设计(DOE)的基本概念
DOE常用的几个术语
Factor:
Level:
在实验中，影响试验结果的可控制的变量
试验中各因子的不同取值。
Response:在试验中用来衡量试验结果的量
选择因子水平的注意事项
试验设计的目的在于捕捉各试验因素对输出变量的最大影响，因此在选择试验 因素的水平时，水平范围要足够宽，否则就可出缩小甚至抵削变量影响，同时也 看不出因素间交互作用对输出的影响。 因素水平设置也不可过宽，否则同样可能缩小此因素的影响，或将其它因素的 影响掩盖掉。过宽还可能超出允许操作范围，造成意外损失。