现代设计方法之稳健性设计
稳健设计是一种什么方法
稳健设计是一种什么方法稳健设计是一种系统工程方法，旨在提高系统的稳定性、可靠性和可维护性。
它是在软件开发过程中的一种方法论，强调从需求分析、架构设计到编码、测试和维护等全过程中注重系统的稳健性和可靠性。
稳健设计的目的是确保软件系统能够在各种环境和工况下保持稳定运行，不受外部干扰或异常情况的影响。
稳健设计的核心概念包括容错、容灾和恢复能力，旨在提供系统的可用性、可恢复性和可维护性。
稳健设计的关键原则之一是“防御性设计”。
防御性设计意味着在软件系统的设计和实现中，要考虑各种可能的异常情况和错误输入，并尽最大努力避免系统崩溃或产生不可预期的错误。
这可以通过输入验证、边界检查、错误处理等方式来实现。
另一个重要原则是“容错性设计”。
容错性设计指的是系统在出现异常情况时能够正确处理，并保证系统的继续运行。
容错性设计的方式包括使用错误检测和纠正技术、添加冗余机制、提供备份和恢复功能等。
此外，稳健设计还强调系统的可维护性。
可维护性指的是软件系统能够方便地进行修改、维护和升级。
稳健设计通过合理的模块划分、良好的接口设计、规范的编码风格和文档等方式来提高系统的可维护性。
稳健设计的实施需要遵循一系列的步骤和方法。
首先，需求分析阶段需要明确系统的稳健性要求，并针对可能出现的异常情况进行分析和评估。
在架构设计阶段，需要考虑系统的可靠性和容错性，并相应地选择合适的设计模式和技术。
在编码和测试阶段，需要注重输入验证、错误处理和异常情况的测试。
最后，在系统的维护阶段，需要保持对系统的监控和改进，确保系统能够持续稳定地运行。
稳健设计在许多领域都有广泛的应用，特别是对于一些对稳定性要求较高的系统，如金融交易系统、电力系统、航空航天系统等。
它不仅可以提高系统的可靠性和安全性，还可以减少系统的故障和事故带来的损失。
同时，稳健设计也是一种良好的编程实践，可以提高开发人员的工作效率和代码质量。
总之，稳健设计是一种系统工程方法，旨在提高系统的稳定性、可靠性和可维护性。
稳健性设计Robust Design
六西格玛培训—优化阶段模块稳健性设计Robust DesignPatrick ZhaoI&CIM Deployment Champion稳健性设计•稳健性设计也称田口设计，由Dr. Genichi Tuguchi在70 年代创立。
质量损失•车主在汽车行驶过程中听到发动机有异响，担心出问题，他请假开到4S 店检修。
工作人员安排检查，两个小时后报告显示异响噪音满足标准，无法赔偿。
车主十分不满，几年后换车时，他选择了其他品牌。
传统田口传统质量损失VS 田口质量损失LSL USLTarget LSL USLTargetLoss Loss Loss Loss什么是稳健性？•稳健性定义：产品或过程在周围不可控或未控制因子（噪音因子）不断变化的条件下，持续稳定工作的能力。
（The ability of a product or process to function consistently as the surrounding uncontrollable or uncontrolled factors vary.）在冬天转动遮阳板时很紧，在夏天时很松，产品是否稳健？发泡产品在环境干燥时需要更多原材料，潮湿时需要很少原材料，过程是否稳健？产品不稳健的原因–遮阳板•温度低，使材料变硬，遮阳板难以转动。
过程不稳健的原因–发泡•湿度低时，反应变慢，填充同样模具所用材料更多。
解决策略1.直接减少噪音•控制环境温度？•控制环境湿度？•建造恒温恒湿车间？成本？2.根据噪音制定不同的策略•制定两套工艺参数应对不同环境？•产品在客户端的条件能预测吗？3.稳健性设计•减少噪音因子对产品/过程的影响！•三种策略可能同时需要。
稳健性指标•衡量一个产品/过程是否稳健的指标是信噪比，S/N –Signal to Noise Ratio。
•通过比较两种设计的信噪比差值来确定设计优化的程度。
•信噪比越大，产品/过程越稳健，越不受噪音因子的影响。
论述稳健性产品设计技术
论述稳健性产品设计技术产品设计是决定产品的第一也是最重要的环节。
产品设计带来的质量问题如果不及时处理，会引起连锁反应，其解决需要的时间和费用很高。
在设计过程中考虑得全面、合理、仔细能够有效地降低成本，减少质量问题发生。
通过稳健性设计不仅能够提高质量，还能使产品特性对不可控因素的敏感性降低。
1 稳健性产品设计技术1.1 稳健性设计的基本原理产品的质量在其生命周期内会被各种因素影响，这些影响具有不确定性，会导致产品的质量特性波动。
直接消除干扰因素，虽然可以解决问题但是实现难度过大、成本过高。
可以尽量降低干扰因素，使质量与因素之间关联变弱，对干扰变得不敏感，这就是稳健性设计的原理。
1.2 稳健性设计典型方法稳健性来源于控制理论中的鲁棒性，是指变量对因素发生微小差变的不敏感性。
如何定量地度量设计的稳健性是稳健性设计的基础。
可行稳健性是指产品性能质量在印象因素作用下稳定在所允许的范围内的能力；敏感稳健性是指产品性能质量在噪声因素作用下保持稳定的能力。
稳健性的指标有质量损失函数、信噪比、质量信息熵等。
经过长期研究和应用，稳健性设计的技术取得了很大的进展，出现了多种稳健性设计方法。
马义中通过熵和协方差矩阵的关系，建立多元质量特性的信噪比计算公式来度量产品质量特性的整体波动，为了克服质量特性协方差不能直接反映质量特性的波动关系，利用信息熵概念度量稳健设计中多元质量特性的整体波动。
比较常用的如下：1.2.1 田口方法。
田口方法以正交试验设计为基础，将产品的设计分为系统设计、参数设计和容差设计三个阶段，最后通过正交试验设计确定参数值可以到达的最佳水平组合。
该方法为稳健性设计提供了理论基础，但是必须事先确定方案的大致范围，局限性强，需要进一步研究。
1.2.2 双响应面法。
双响应面法可以将噪声因素和设计变量结合，综合考虑其对产品质量的影响。
适用于噪声因素非正太分布，求解误差小，但是对试验数据敏感，模型拟合较为困难。
1.2.3 随机模型法。
稳健设计名词解释
稳健设计名词解释
稳健设计 (稳健性设计) 是指在系统设计和开发过程中，为了提高系统的可靠性、稳定性和鲁棒性，采取一系列措施来提高系统的安全性和可用性。
稳健设计的目标是在设计阶段就发现和解决系统可能存在的缺陷和风险，避免在系统运行时出现不可预料的问题。
稳健设计的具体含义包括以下几个方面:
1. 系统性：稳健设计要求系统设计和开发过程必须以系统性为基础，强调从系统整体的角度思考问题，综合考虑各个模块之间的交互关系和影响。
2. 风险评估：在系统设计和开发过程中，需要进行风险评估，分析系统可能存在的风险和缺陷，并制定相应的对策和措施。
3. 容错设计：在系统设计和开发过程中，需要考虑异常情况下系统的响应和处理能力，设计相应的容错机制和预案，以保证系统的稳定性和可靠性。
4. 可维护性：稳健设计要求系统设计和开发过程需要考虑系统的可维护性，保证系统在不同环境下的可适应性和易用性。
5. 安全性：稳健设计要求系统设计和开发过程需要考虑系统的安全性，包括防止恶意攻击、数据保护、访问控制等方面。
总结起来，稳健设计是一种系统设计和开发的理念，旨在提高系统的可靠性、稳定性和鲁棒性，保证系统在不同环境下的可用性和安全性。
稳健参数设计
稳健参数设计
稳健参数设计是一种重要的设计方法，旨在使产品或系统对不确定性因素具有良好的鲁棒性和稳定性。
稳健参数设计通常采用统计方法和实验设计方法，通过对不同参数进行系统性的测试和分析，找出对系统性能最敏感的参数，并通过合理的调整和优化来提高产品或系统的稳定性和可靠性。
在稳健参数设计过程中，需要考虑系统的环境因素、材料特性、设计要求和用户需求等多个方面。
同时，也需要充分了解产品或系统的工作原理和性能特点，以便找出影响系统稳定性和可靠性的关键因素。
稳健参数设计的核心思想是在设计过程中充分考虑不确定性因素，通过科学的方法和技术手段来提高产品或系统的鲁棒性和稳定性。
这种设计方法适用于各种领域和行业，包括电子、机械、航空、汽车、医疗等。
在实际应用中，稳健参数设计需要密切配合实验设计和统计分析等方法，以便得到可靠的测试数据和分析结果。
同时，也需要充分考虑成本和时间等因素，以便在保证设计质量的前提下，实现快速、高效的产品或系统开发。
总之，稳健参数设计是一种重要的设计方法，可以提高产品或系统的鲁棒性和稳定性，从而确保其在不同环境和使用条件下的可靠性和性能。
- 1 -。
稳健设计
3
几个基本概念
4
质量特性值
在工业生产中，产品的质量通常通过对特定的功能、特性的测
定或测量数值来评定（质量特性或输出特性）。
任何一种产品的质量特性值与其名义值（额定值）之间都存在
一定的偏差。偏差越小，质量越好。
5
质量的变异性
产品的质量特性指标往往会有差异； 即使完全相同的生产条件，由于种种干扰因素的存在，其 产品也会表现出不完全相同的质量特性；
质量工程技术人员研究发现，瓷砖尺寸波动原因是由砖窑内
部温度差异引起的。
在没有放置瓷砖时，砖窑内部设计的加热后温度是相同的， 但是放置瓷砖之后加热后窑内各部位的温度就不同了，外侧 温度高，中心处温度低。
解决办法：重新设计一个新砖窑，保证窑内温度均匀。 方法缺陷是什么？
15
第三种方法
从瓷砖内部结构入手，寻找影响尺寸稳健的内部原因。
现代设计理论 —稳健设计
胡坤（20101011）
1
主要内容
稳健设计起源 稳健设计的几个基本概念 稳健性设计与三次设计 内外表参数设计
简单的稳健设计方法
2
源起
20世纪70年代末期开始
日本学者田口玄一博士创立
以三次设计为内容的质量工程学 目前美国把一切用于提高和改进产品质量有关的工程方法 统称为稳健性设计
同一产品在不同的环境中使用，或者在寿命周期内的不同
时刻，其质量特性都会有差异；
例如手机电池的使用时间：随着气温的变化而变化；随着 使用时间长短的变化而变化。
6
质量特性值
稳健设计稳健设计
16
導入期
成長期
成熟期
衰退期
產品或服務需求呈衰退狀態。
標準化
標準化(standardization)是指產品、服務或流 程中減少變異與多樣性的程度。
標準化產品是以大量製造方式生產相同產品。 標準化服務意指每位顧客或項目基本上均獲得 相同的服務。
17
標準化的優點與缺點
18
大量客製化設計
產品與服務設計或重新設計的原因
產品與服務設計或重新設計的原因包括：
影響市場改變的因素 經濟 說明 例如，低需求、過度的保固理賠、降低成本的 必要性。
社會與人口
政治、責任或法律 競爭 成本或供應 技術
例如，人口老化、人口遷移。
例如，執政的改變、安全議題、新的規範。 例如，新/改變的產品或服務、新廣告與促銷。 例如，原物料、零件、人工。 例如，產品零組件、製造流程。
大量客製化(mass customization)為大量生產標 準化商品，並加入部分客製化的彈性。 可採用以下方法：
延遲差異化(delayed differentiation)
一種拖延戰術，不完全完成產品生產或是服務的流程， 直到得知顧客的偏好，才完成全部的生產程序。 標準化的一種形式，由零組件組合成為一個模組，容 易置換或變更。
28
4.7 為製造而設計
稳健设计方法
机研142 孙利文201421202100一、稳健设计方法在产品设计开发中的作用。
稳健设计又称作鲁棒设计。
是关于产品质量和成本的一种工程设计方法。
在产品或工艺系统设计中，正确的应用稳健设计的基本理论和方法可以使产品在制造或使用中，或是在规定寿命内当结构或材料发生老化、变质、工作环境发生微小的变化时，都能保证产品质量的稳定。
通过稳健设计，可以使产品的性能对各种噪声因素的不可预测的变化，拥有很强的抗干扰能力。
产品性能将更加稳定、质量更加可靠。
任何一种产品" 影响其质量的因素有很多" 主要可分为两类：一类是在设计中人们可以控制的因素如设计变量、变量的容差等；另一类是所谓的噪声因素指由生产条件、使用环境及时间等的变化而影响产品质量的因素如载荷、几何尺寸、工程材料特性的变异以及制造、安装误差等，其基本特点是具有不确定性和随机性，是不可控制的因素。
实际存在的不确定因素的变化有可能导致产品的性能指标有较大的波动，使其功能劣化甚至失效，还有一些材料或元器件会随着时间的推移而发生失效等。
对于这些因素有两种处理方法:一是尽可能消除这些因素这对可控因素是可以做到的，而对噪声因素往往很难实现。
即使能够消除也需要花费很大的代价；二是尽量降低这些因素的影响。
这是相对容易和低代价的方法，也就是使产品性能对这些因素的变化不敏感，为了使所设计的产品在不确定因素的影响下，其性能指标不仅能达到设计要求，而且对各种不确定因素的变化不敏感，就需要用稳健设计方法来实现。
稳健设计就是使产品的性能对在制造期间的变异或使用环境的变异不敏感，并使产品在其寿命周期内不管其参数、结构发生漂移或老化在一定范围内都能持续满意地工作。
二、试验设计在稳健设计中的作用。
试验设计就是运用正交试验法或优化方法确定零部件参数的最佳组合，在系统内、外因素作用下，所产生的质量波动最小，即质量最稳定（健壮）。
试验设计的目的是根据系统设计中所确定的所有参数，通过多因素的优选方法来考察三种干扰（内干扰，外干扰，产品间波动）对系统质量特性的影响，寻求最佳的参数组合，以求得抗干扰性最佳的设计方案，使系统质量特性波动小，稳健性好，并且价格低廉。
稳健型设计
稳健性设计的发展和应用
工业界的质量意识空前提高，开始制定以 顾客需求为中心的质量战略和以质量管理为根 本内容的经营战略，注重加强研制阶段的质量 设计和质量分析。 稳健性设计技术不仅可以使企业以最快的开发得最好 的资本增值效益，同时，也是跻身世界及公司 的必由之路。
稳健性设计的发展和应用
美国
美国波音公司已采用田口方法成功地进行了飞机尾翼设计。 美国航空航天局从94年开始计划用3—4年时间推行田口方法， 从对高级领导人进行培训、转变观念入手，并首先在航天飞机燃 料储箱设计中应用。 美国每年完成的案例在5000个以上。美国应用稳健性设计方法 节约经费达九百万美元，另外，美国70%以上的工程技术人员了解 此方法。 由于世界范围内高技术产业兴起和社会生产力的迅速发展，国 际市场竞争的焦点已开始由价格的竞争转向质量设计的竞争。设 计竞争的严峻形势迫使每个企业重新考虑其质量经营战略。
质量的稳健性优化设计
主讲:韩微
一 . 稳健型设计的产生
传统的设计思想认为：只有用质量最好的原材料（零 部件），才能组装成质量最好的整机；只有最严格的 工艺条件才能制造出质量最好的产品。总之，材料、 元器件质量特性越好，可行性就越高。 70年代，世界上技术先进国家已开始以一种全新的设 计概念取代了传统的设计思想。 设计中心思想：（1）采用最低廉的元件组装成品质量 最好，可靠性最高的整机；（2）采用最宽松的工艺条 件加工出质量最好、成本最低、收益最高的产品。其 口号是“用三类元件设计制造出一类整机”。
稳健性设计的产生
在国际市场上占有最大份额的日本电气产品以 及美国三大汽车公司等都是在这种设计概念下 取得了最好的技术经济效果，在放宽工艺要求， 降低制造成本的条件下制造出高品质的产品。 稳健性设计是日本著名的质量管理专家田口玄 一博士于70年代初创立的质量管理新技术。
稳健设计理念长沙
稳健设计理念长沙
稳健设计是指在设计过程中注重稳定性和可靠性的理念。
稳健设计理念强调在设计中避免冒险，减少潜在的风险和问题，并确保产品或系统的长期稳定运行。
稳健设计理念在各个领域都有广泛的应用，包括工业设计、软件开发、建筑设计等。
在这些领域中，稳健设计的目标是提供可靠、安全和高效的解决方案，以满足用户的需求。
在工业设计中，稳健设计意味着设计师要考虑产品的使用环境和条件，以确保产品能够稳定地工作和运行。
例如，在设计机械设备时，稳健设计会考虑到可靠性、耐用性和维护便捷性等因素，以确保机器能够稳定地运行并减少故障和维修的次数。
在软件开发中，稳健设计意味着开发人员要考虑到各种潜在的情况和异常情况，以确保软件能够在各种情况下正常运行。
例如，在编写程序时，开发人员会考虑到输入数据的边界情况、错误处理和恢复机制等因素，以确保软件在面对意外情况时能够做出正确和可靠的反应。
在建筑设计中，稳健设计意味着建筑师要考虑建筑的结构、材料和施工过程，以确保建筑能够在各种自然和人为的条件下保持稳定和安全。
例如，在设计高楼大厦时，建筑师会考虑到地震、风力等自然因素，并采取相应的措施以确保建筑能够抵御外力和保护住户的安全。
总之，稳健设计理念是一种注重稳定性和可靠性的设计方法。
它强调在设计过程中要考虑各种潜在的情况和异常情况，并采取相应的措施以确保产品或系统的长期稳定运行。
稳健设计不仅可以减少风险和问题，还可以提高产品或系统的质量和性能，满足用户的需求和期望。
《现代设计方法》课件第7章
第7章 稳健设计 设计因素x是产品设计中的一些可控因素的集合，即
xT (x1, x2,, xn )
在设计时所确定出的名义值为
(7－4)
xT (x1, x2,, xn )
(7－5)
经加工制造产生的偏差的最大允许值（容差）为
xT (x1, x2,, xn ) (7－6)
一般情况下，在设计中需要确定的不仅是设计变量名义值
(7－2)
其中， y 和 y 称为质量特性的容差，是产品质量特性波动的允许
界限，如图 7-2 所示。 例如，某材料的抗拉强度按其技术规范规定为(45±2)MPa，则该材料
抗拉强度的容差 y y y=2MPa ，名义值 y 45MPa ，极差
R y [43, 47]MPa 。只要该材料出厂的抗拉强度在此极差内都认为是合
第7章 稳健设计
图7－4 稳健设计的图解表示
第7章 稳健设计 稳健设计要求达到以下两个目的。 （1
y y y0 min 或 y2 (y y0)2 min
达此目的的主要方法：①通过产品的方案设计（概念设 计），改变输入输出之间的关系，使其功能特性尽可能接近 目标值。②通过参数设计调整设计变量的名义值，使输出均 值达到目标值。
x Rn ，有时还要合理确定它的容差 x Rn 。在多数情况下，还
要知道变差在容差范围内的概率分布类型和分布参数。
第7章 稳健设计
噪声因素z是不可控因素的集合，即
zT (z1, z2,, zk )
(7－7)
噪声因素一般是属于概率空间 ,,P 内且服从某种概
率分布的一些随机变量。
质量特性y是设计结果的输出。由于受到设计因素x和噪 声因素z的影响，因此y是x和z的线性、非线性、显式或隐式
第六章稳健设计
参数设计
参数设计
参数设计
参数设计
4. 外设计 选用正交表进行外设计，采用内外表直积法，其
直积方案如表6-5所示：
参数设计
5.获得质量特性数据 由于电流强度可以计算，故由
直接求出质量特性。 现以内表第一号方案为例说明其计算过程。首先给出
第一号方案的外设计方案表（表6-6）。
参数设计
参数设计
下面进行SN比分析和灵敏度分析。
信噪比分析 由SN比方差分析表可以看出，电 阻R为高度显著因素，电感L为次要因素。并且 从表6-8可见，R的最优水平（η分析中Ti1最大 相应的水平）为 ，L的最优水平为 （因素L的 水平可任意选择），因此最优水平组合为 ，它 使SN比η值最大，是稳定性最好的设计方案。
参数设计
二、参数设计
参数设计就是应用参数组合与输出质量特 性的非线性关系，通过对试验数据的定量统计分 析，找出成本最低、稳定性最好的参数组合的过 程。
容差设计
三、 容差设计 容差设计就是在参数设计基础上，在总成本
最小的原则下，采取最佳决策确定误差因素的最 合理容差的过程。
➢对产品开发而言，一般要进行三个阶段设计的 全部程序； ➢对技术开发而言，通常不进行容差设计。
参数设计
2. 内设计 选用正交表进行内设汁。设计方案如表6-3所示：
参数设计
3. 制定误差因素水平表 误差因素有4个，它们是电压，频率，电阻和电感。
根据外界客观环境，电压和频率的水平选为：
电阻和电感采用三级品，波动为土10％，其水平 如下：
参数设计
第二水平＝内表给出的中心值 第一水平＝内表给出的中心值×0.9 第三水平＝内表给出的中心值×1.1 以上9个方案的误差因素水平表如表6-4：
稳健设计综述_崔玉莲
ZHILIANG YU KE KAOXING
10 2010 年第 4 期◆总第 148 期
理论 方法
等。 另一类是以工程模型为基础与优化技术结合的 稳健优化设计方法， 主要有容差多面体法、 灵敏度 法、 变差传递法、 随机模型法以及基于成本-质量 模型的混合稳健设计法等。
田口稳健设计法即三次设计法或基于损失模型 法。 三次设计方法的内容是： 无论是实际一个新产 品还是一种新工艺， 都可以分 3 个阶段进行。 第一 阶段是系统设计 （又称第一次设计）， 提出初步设 计方案。 第二阶段是参数设计 （又称第二次设计）， 寻求设计参数的最佳搭配， 提高产品性能的稳健 性， 它是三次设计的核心内容。 参数设计采用正交 试验设计法， 确定能使质量波动最小的可控因素水 平值的最佳组合设计方法， 主要利用线性或非线性 性质来减少产品质量特性的波动。 第三阶段是容差 设计 （又称第三次设计）， 利用损失函数给关键件 以合适的容差 （公差） 范围。 这是用于调整产品质 量成本关系的一种重要方法， 是产品质量设计的最 后阶段。 三次设计的主要工作一般在参数设计与容 差设计中。 为计算方便， 田口将损失函数模型转化 为信噪比指数， 然后再通过正交试验设计来确定参 数项的最佳水平组合。 因此， 三次设计是以正交试 验设计为基础， 用误差因素模拟各种干扰， 以信噪 比作为衡量产品质量稳定性的指标， 用廉价的元部 件组装质量上乘、 成本低廉、 性能稳定可靠的产 品。 此法的优点是设计变量可以是连续变量、 离散 变量甚至非数值型变量； 可求解相当复杂的模型； 通过正交表的统计分析， 可以定量地了解各设计参 数对目标性能的影响。 缺点是事先必须要知道最优 解的大致范围和水平， 即对优化时的初始点要求较 高， 否则就需要通过多轮的正交试验求解， 效率明 显降低。
稳健性设计
稳健设计认为，产品开发的效益可用企业内部效益和社会损失来
衡量，企业内部效益体现在功能相同条件下的低成本，社会效益 则以产品进入消费领域后给人民带来的影响作为衡量指标。假如， 由于一个产品功能波动偏离了理想目标，给社会带来了损失，我
们就认为它的稳健性设计不好，而田口式的稳健性设计恰能在降
低成本、减少产品波动上发挥作用。
稳健性设计
Robust Design
什么是稳健性设计
稳健性设计几个基本概念
稳健性设计三个阶段 ——三次设计
稳健性设计案例
什么是稳健性设计
●稳健性设计起源
传统的设计思想认为：只有质量最好的元器件（零部件）才 能组装成质量最好的整机；只有最严格的工艺条件才能制造出质 量最好的产品。总之，成本越高，产品的质量越好，可靠性越高。 自本世纪七十年代，世界上技术先进国家已开始以一种全新 的设计概念取代了传统的设计思想。这种新的设计概念认为：使 用最昂贵的高等级、一致性最好的元器件并不一定能组装出稳健 性最好的整机，成本最高，并不一定质量最好。产品抗干扰能力
如使产品性能对所用材质变差不灵敏，就能在一些情况下使
用较低廉的或低等级的材料；使产品对制造尺寸变差不灵敏，可 以提高产品的可制造性、降低制造费用；使产品对使用环境变化
不灵敏，就能保证产品使用的可靠性和降低操作费用。
●质量特性值
在工业生产中，产品的质量通常通过对特定的功能、特性的测定 或测量数值来评定（质量特性或输出特性）。 任何一种产品的质量特性值与其名义值（额定值）之间都存在一
影响会偏离目标值，随偏离的程度不同，将给用户带来程度不同的
损失。
稳健性设计案例 系统设计
参数设计
容差设计
设计一个电感电路，要求输出电流强度在10安培附近，且波动越小
浅谈稳健性产品设计
照 一 定 方 向用 一 系列 英 文 字 母进 行 编 号 ，各个 字
母 所 在 的层分 属煤 粉 燃烧 器和 辅 助风 ，具 体如 表 ｌ
所示：
袁 １ 燃烧器的编号及煤粉燃烧器、辅助风所 包含的层
为促 使 所排 放 的Ｎ Ｏ ｘ 数量 降低下 来及 尽 可 能避 免 结渣 现象 的产生 ，保 障炉 内空气 动 力场 能维 持稳 定燃 烧 ，在 实 际使 用 中要 采用 不 同结 构的二 次风偏
对 因素 发生微 小差变 的不敏 感性 。如何 定量地度 量
设计 的稳健性 是稳健 性设计 的基础 。可 行稳健性 是
分布 ，实用价值很高 ，但 是建模和计算较 为困难 。 １ ． ２ ． ４ 灵敏度法 。为了保 证产品对设计变量和
噪声 因素 的影 响达到最 小 ，将 设计 函数 、设 计变量
控 ，分析结果 如表２ 所示 ： 表２ 运算 结果袁
式 中： （ ｙ — Ｙ ｏ ） 反 映 了质 量波 动程 度 ，ｋ 为 比例 常 数 ，ｋ 的 值 与望 目、望 大 、望 小 三种 特 性相 关 。
该 公式 说 明当质 量 特 性 在合 理 的偏差 范 围 Ａ Ｚ中 波动 时 ，虽然 产 品合格但 是 仍然会 给用 户产 生一 定 程度 的损失 。 ２ ． ２ 定制产品的稳健性表达
机器效率、零件寿命等 。产 品质量损失函数为：
三 （ Ｊ ， ） ：ｋ （ ｙ—Ｙ ｏ ） （ １ ）
Ｄ 为 中径 ，ｒ ｌ 为有 效圈数 ，
所示 ：
为 旋 转 角度 ， 如 表 ｌ
表 １ 可控 因素表
这 四 个 参 数 都 是 可 控 因素 ，通 过 对 它 们 的 调
都具有一 定的借鉴作 用。 关键词 ： 锅 炉 ；四角切 圆 ； 燃 烧调 整 ； 汽温调节
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三个阶段
参数设计
决定系统中各参数的选择，使产品的性能既能达到目标 值，又使它在各种条件下波动小
系统设计
对产品进行整个系统和整个结构的设计 主要由专业技术人员完成
为了定量描述产品质量损失，田口提出了“质量损失函数”的概念，并以信 噪比来衡量设计参数的稳健程度。
质量损失函数
产品功能波动客观存在，有功能波动就会造成社会损失。所 谓质量损失函数是指定量表述产品功能波动与社会损失之间关系 的函数。
当产品特性值y与目标值m不相等时，就认为造成了质量损失。
L(y)=k(y-m)² 其中L（y）为质量损失函数，m—目标值
外噪声
由于环境因素和使用条件的波动或变化，引起质量特性值 的波动。例如，温度、湿度、位置等。
内噪声
由于在储存或使用过程中，随着时间的推移，发生材料变 质、劣化现象而引起质量特性值的波动。例如，电器产品 绝缘材料的老化等。
质量的变异性
那个设计更好？
1
产品的质量特性指标往往会有差异
即使完全相同的生产条件，由于种种
稳健性设计是田口玄一创立的质量工程观中的一个分支， 由田口玄一发展而成，因此通常被人们称之为田口方法(Taguchi Method)。
田口方法是一种低成本、高效益的质量工程方法，它强调 产品质量的提高不是通过检验，而是通过设计。
稳健性设计基本认识
传统的设计思想认为：只有质量最好的元器件 （零部件）才能组装成质量最好的整机；只有 最严格的工艺条件才能制造出质量最好的产品 。总之，成本越高，产品的质量越好，可靠性 越高。
稳健性设计
Robust Design
老李 宇宙学院
CONT ENT
0 什么是稳健性设计 1 0 稳健性设计的几个基本概念 2 0 稳健性设计的三个阶段 3 0 稳健性设计案例 4
01
什么是稳健性设计
稳健性设计起源
田口玄一
稳健性设计起源
稳健性设计是日本著名的质量管理专家田口玄一博士于 70年代初创立的质量管理新技术。这是一种最新颖、科学、有 效的稳健性优化设计方法。该理论和方法不仅受到日本同时也 受到欧美各国应用统计学家、质量管理专家、工程设计专家和 企业人士关注，并在工程实际中得到了广泛应用。
······
THANK YOU VERY MUCH
Designed By 老李
基础
核心
经济化
容差设计
要使产品性能接近目标值，元件的公差应是多少为宜
04
稳健性设计案例
设计案例
1.低噪声轮胎花纹节距参数的稳健性设计 2.汽车刹车系统的稳健性设计 3.汽车风扇离合器进行优化稳健性设计 4.电感电路参数的稳健性设计 5.汽车空气质量优化的稳健性设计 6.汽车气缸内气压（待选参数）的稳健性设计 7.固体火箭发动机优化的稳健性设计
K—比例常数 y—产品输出特性 当y=m时，L（y）=0。
质量损失函数
2.平均损失函数
E(L)=E(y-m)=E{[y-E(y)]+[E(y)-m]} =E[y-E(y)]+E[E(y)-m] =σ²+δ ²
μ=E(y)是y的均值，即产品的生产中心值。 δ =m-μ 是生产中心值与目标值的漂移量。 E=(y-μ)²是质量特性值的方差，反映产品间的差异。
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传统设计思想
稳健性设计概念认为：使用最昂贵的高等级、 一致性最好的元器件并不一定能组装出稳健性 最好的整机，成本最高，并不一定质量最好。 产品抗干扰能力的强弱主要取决于各种设计参 数（因素）的搭配。设计参数搭配不同，输出 性能的波动大小不同，平均值也不同。
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稳健性设计概念
稳健性设计基本认识
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稳健性设计目的
η=μ²/σ²
望大特性信噪比
所谓望大特性是希望质量特性越大越好（理想值为无穷 大），且波动越小越好。则其倒数1/y则为望小质量特性， 损失函数L (y)=1/y2，平均损失为E(1/y2)。
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稳健性设计的三个阶段
思考
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解决问题
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解决方案
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应用价值
-如何实现低成本、高质量的设计？
-通过选择系统参数的最佳组合，尽量减小内外部和产品间的干扰，使质量 特性波动最小； -选择低质量等级的元件，实现质量最好的整机； -根据各参数波动对产品质量特性贡献的大小，从经济性角度确定最合理的 容差大小。
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干扰因素的存在，其产品也会表现出
不完全相同的质量特性
同一产品在不同的环境中使用，或者
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在寿命周期内的不同时刻，其质量特
性都会有差异
质量损失函数
1.田口的质量观
与传统的质量定义不同，田口玄一博士将产品的质量定义为：产品出厂后避免 对社会造成损失的特性。可用“质量损失”来对产品质量进行定量描述。
质量损失是指产品出厂后“给社会带来的损失”，包括直接损失（如空气污 染、噪声污染等）和间接损失（如顾客对产品的不满意以及由此导致的市场损失、 销售损失等）。质量特性值偏离目标值越大，损失越大，即质量越差，反之，质量 就越好。
望小特性信噪比
所谓望小特性是希望质量特性越小越好（理想值为零），且波动越小越好。相 当于取目标值m=0，损失函数L(y)=y2，平均损失为E(y2)。由于E(y2)=μ²+σ²因 此此时平均损失函数要求特性指标平均值μ小，且波动程度σ²小。
η=1/(μ²+σ²)
望目特性信噪比
所谓望目特性是指存在一个固定目标，希望质量特性值围 绕目标值波动，且波动越小越好。稳健性设计阶段致力于 减小σ²，从相对误差角度考虑，希望μ/σ等价于μ²/σ²越大 越好。
02
稳健性设计的几个基ห้องสมุดไป่ตู้概念
几个基本概念
质量的变异性
信噪比
质量噪声
质量损失函数
质量噪声
质量噪声（干扰）——噪声因子
引起质量特性值波动的原因，称为质量噪声， 也叫噪声因子，是不能被设计者控制的因子。
产品间噪声
在相同生产条件下，生产制造出来的一批产品，由于人、 机、料、法、环的变化，引起质量特性值的波动。
稳健性设计的目的在于，使所设计的产品质量 稳定、波动小，使生产过程对各种噪声不敏感 ，在产品设计过程中，利用质量、成本、效益 的函数关系，在低成本的条件下开发出高质量 的产品。
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稳健性设计思想
稳健设计的基本思想是把产品的稳健性设计到 产品和制造过程中，通过控制源头质量来抵御 大量的下游生产或顾客使用中的噪声或不可控 因素的干扰，这些因素包括环境湿度、材料老 化、制造误差、零件间的波动等等。
高质量的产品应该使漂移量和标准差都小。
信噪比
信噪比是稳健性设计中用以度量产品质量特性的稳健性指标， 是测量质量的一种尺度。 信噪比是信号量与噪音的比率，信噪比越大表示产品越稳健。
η = S/N 式中，S是信号功率，N是噪声功率。 所谓信噪比（S/N）是用来描述抵抗内外干扰因素所引起的质 量波动的能力，或叫产品的稳定性或稳健性。