正交试验设计(内容详尽)
第8章正交试验设计
3
5.0
150
75
二、无交互作用的正交试验
4、将因素水平上列
F T
A
B
C
D
含油率 yi %
每个因素上1列;
1
1
1
1 1 27.5
列数>=因素个数; 得到9个试验处理
2
1
2
2 2 24.9
3
1
3
3 3 24.9
5、安排试验( Fisher准则)
4
2
1
2 3 25.3
设置区组:试验环境相同。
第8章 正交试验设计
一、正交表
1.作用 正交表:是根据组合数学的原理排列而成,安排正交试验
的因素和水平,决定试验的组合处理的一种特殊表格。
2.形式
F
L:正交表 源于拉丁方(Latin square) t:试验处理数(Thing)即:正交表的行数;
l l:因素的水平数(Level)
Lt F:可安排的因素数(Factor)即:正交表的列数
y7= yA3+ yB1+ yC3+ε7
⑦
y8= yA3+ yB2+ yC1+ε8
⑧
5
2
6
2
7
3
8
3
9
3
y9= yA3+ yB3+ yC2+ε9
⑨
B C D Yi
1
1 1 y1
2
2 2 y2
3
3 3 y3
1
2 3 y4
2
3 1 y5
3
1 2 y6
1
3 2 y7
2
1 3 y8
第七章 正交试验设计
表头设计是借助于与正交表匹配的两 列间交互作用表来完成的。 列间交互作用表来完成的。 例如,要安排A 例如,要安排A、B、C三个因素,每 三个因素, 个因素都是两个水平, 个因素都是两个水平,同时要研究交 互作用A 可选用L 互作用A×B和A×C,可选用L8(27)。查 交互作用表(见表7 L8(27) 交互作用表(见表7-5)。
表头设计:
表头是指正交表第一行的“列号” 表头是指正交表第一行的“列号”。正交表选 定后, 定后,要把各因素项及交互作用项分别放在正交 表表头适当的列中去。此过程称表头设计。 表表头适当的列中去。此过程称表头设计。若因 素间的交互作用可以忽略时, 素间的交互作用可以忽略时,可随意地把各因素 安排在所选表的列上;若因素间有交互作用, 安排在所选表的列上;若因素间有交互作用,则 应将交互作用看作是影响因素, 应将交互作用看作是影响因素,并将其安排在相 应的列上(称为交互作用列)。但是, )。但是 应的列上(称为交互作用列)。但是,各个因素 列和交互作用列是不能随意安排的。 列和交互作用列是不能随意安排的。表头设计不 是唯一的,一项试验, 是唯一的,一项试验,可以做出多种不同的表头 设计,一般来说,只要设计得合理, 设计,一般来说,只要设计得合理,试验误差不 结论一般都是一致的。 大,结论一般都是一致的。
(2)综合平衡法 先对每个指标分别进行单指标的直 观分析, 观分析,得到每个指标的影响因素主 次顺序和较优水平组合, 次顺序和较优水平组合,然后根据理 论知识和实践经验, 论知识和实践经验,对各指标的分析 结果进行综合比较和分析, 结果进行综合比较和分析,得出较优 方案。 方案。 例7-7
3.2 方差分析法
3.1.2 混合水平试验 常用的方法有两种: 常用的方法有两种: (1)直接利用混合水平的正交表 例7-4
8.正交试验设计
K Y3 Y5 Y7
C 3
=>因素C在1,2,3水平上试验值的平均数分别为
1 C k K1 , 3
C 1
1 C k K2 , 3
C 2
1 C k K3 3
C 3
化工产品转化率的试验值
试验号
1 2
A
1 1 1 2 2 2 3
B
1 2
C
1 2
转化率
31
3
4
3
1 2
3
2
54 38 53 49
Y1 a1 b1 c1 1 Y2 a1 b2 c2 2 Y3 a1 b3 c3 3 Y4 a2 b1 c2 4 Y5 a2 b2 c3 5 Y a b c 2 3 1 6 6 Y7 a3 b1 c3 7 Y8 a3 b2 c1 8 Y9 a1 b3 c2 9
C 1 2 C 2 2 C 3 2
可以证明:QT QA QB QC QE
QA ——因素A引起的离差平方和 QB ——因素B引起的离差平方和 QC ——因素C引起的离差平方和 QE ——误差平方和
定理 (1)
2 (2)当 H01 , H02 , H03 成立时,
QE
~ 2 2
试验值
Y1 Y2 Y3 Y4
4
5 6 7 8 9
A2 B2C3 A2 B3C1 A3 B1C3
Y5 Y6
Y7
A3 B2C1 A3 B3C2
Y8 Y9
假定因素A,B,C没有交互作用。 设因素A在水平 A1 , A2 , A3 上的效应分别为 a1 , a2 , a3 因素B在水平 B1 , B2 , B3 上的效应分别为 b1 , b2 , b3 因素C在水平 C1 , C2 , C3 上的效应分别为 c1 , c2 , c3
正交试验设计精品文档66页
(1) 900 (1) 10 (1) 70
160
(1) 900 (2) 11 (2) 80
215
(1) 900 (3) 12 (3) 90
180
(2)1100 (1) 10 (2) 80
168
(2)1100 (2) 11 (3) 90
236
(2)1100 (3) 12 (1) 70
190
(3)1300 (1) 10 (3) 90
二、无交互作用的正交设计与数据分析
试验设计一般有四个步骤: 1. 试验设计 2. 进行试验获得试验结果 3. 数据分析 4. 验证试验
例1 磁鼓电机是彩色录像机磁鼓组件的关 键部件之一,按质量要求其输出力矩应大于 210g.cm。某生产厂过去这项指标的合格率较 低,从而希望通过试验找出好的条件,以提高 磁鼓电机的输出力矩。
157
(3)1300 (2) 11 (1) 70
பைடு நூலகம்
205
(3)1300 (3) 12 (2) 80
140
9个试验点的分布
3 5
C3
2
C2
4
1
C1 A1
A2
7 9
6
8
B3
B2
A3 B1
(二)做试验,并记录试验结果
在进行试验时,要注意几点: 1. 除了所考察的因子外的其它条件,尽可
能保持相同 2. 试验次序最好要随机化 3. 必要时可以设置区组因子
譬如:考察两个因子,先固定A在A1,发 现B3好,再固定B3,发现A1好,但是实际上好 的条件是A2B2。
B1
B2
B3
A1 50 56 62
A2 56 70 60
A3 54 60 58
正交实验的设计方案
正交实验的设计方案第1篇正交实验的设计方案一、方案背景正交实验设计(Orthogonal Experimental Design)是一种高效的实验设计方法,通过合理的安排实验条件,以最少的实验次数获取最多的信息,从而为优化产品设计、生产过程以及解决实际问题提供科学依据。
本方案针对某项目需求,结合我国相关法律法规,制定合法合规的正交实验设计方案。
二、实验目标1. 确定影响目标指标的主要因素;2. 优化实验条件,提高目标指标;3. 为实际应用提供科学依据。
三、实验因素及水平根据项目需求,选取以下因素及水平进行正交实验:因素A(温度):水平1、水平2、水平3;因素B(压力):水平1、水平2、水平3;因素C(时间):水平1、水平2、水平3;因素D(原料比例):水平1、水平2、水平3。
四、正交表的选择根据实验因素及水平,选择合适的正交表进行实验设计。
本方案采用L9(3^4)正交表,即4因素3水平正交表。
五、实验设计1. 按照L9(3^4)正交表,安排实验顺序及条件;2. 对每个实验条件进行实验操作,记录实验数据;3. 分析实验数据,得出各因素对目标指标的影响程度;4. 根据实验结果,优化实验条件,提高目标指标。
六、实验数据分析1. 计算各因素各水平下的实验指标平均值;2. 计算各因素各水平下的实验指标极差;3. 判断各因素对目标指标的影响程度,找出主要因素;4. 根据实验结果,提出优化方案。
七、实验结果的可靠性分析1. 检验实验数据的正交性,确保实验结果的可靠性;2. 对实验数据进行方差分析,验证实验结果的显著性;3. 结合实验结果及实际情况,评估实验方案的适用性。
八、实验方案的优化与应用1. 根据实验结果,优化实验条件,提高目标指标;2. 将优化后的实验方案应用于实际生产或研究,验证其效果;3. 不断调整和优化实验方案,以满足实际需求。
九、实验方案的合法合规性1. 本方案遵循我国相关法律法规,确保实验过程合法合规;2. 实验过程中,严格遵守实验操作规程,确保实验安全;3. 实验数据真实可靠,遵循科学实验的道德规范。
第6章 正交试验设计
A2B3C1
A2B2C3
A3B3C2
A1B3C3
2 A1B2C2 3
1
5 4 18
6
8 9
7
13
12
17
16 19 20 15
14
10 24 23
11
25 26
立方体上共 有9 个面, 设对应于A1、 A2、A3的是 左、中、右 三个面;对 应于B1、B2、 B3的是下、 中、上三个 面;对应于 C1、C2、C3 的是前、中、 后三个面。
L 正交表的代号
m正交表的列数
Ln r
n 正交表的行数
m
(最多能安排的因素个数, 包括交互作用、误差等)
r 各因素的水平数
(各因素的水平数相等)
(需要做的试验次数)
正交表符号的意义
正交表的纵列数 (最多允许安排因素的个数)
L8(27)
正交表的代 号
字码数(因素的水平数)
正交表的横行数
如
R越大,因素越重要
若空列R较大,可能原因:
漏掉某重要因素
因素之间可能存在不可忽略的交互作用
(6)优方案的确定
优方案:在所做的试验范围内,各因素较优的水 平组合 若指标越大越好 ,应选取使指标大的水平 若指标越小越好,应选取使指标小的水平 还应考虑:降低消耗、提高效率等 在本例中,试验指标是乳化能力,指标越大越好, 所以应挑选每个因素的K1 ,K2 ,K3(或k1 ,k2 ,k3) 中最大的值对应的那个水平 。
21
A1B1C1
22
A2B1C2
27
A:
考虑兼顾全面试验法和简单比较法的优点, 利用根据数学原理制作好的规格化表—— 正交表来设计试验不失为一种上策。 用正交表来安排试验及分析试验结果,这 种方法叫做正交试验法。 事实上,正交最优化方法的优点不仅表现 在试验的设计上,更表现在对试验结果的 处理上。
正交试验设计方法(详细步骤)
A2
(y5+ y7)/2 =(0.472+0.554)/2=0.513 (y6+ y8)/2 =(0.480+0.552)/2=0.516
阐明:
表头设计中旳“混杂”现象(一列安排多种原因或交互作 用)
高级交互作用 ,如A×B× C,一般不考虑 r水平两原因间旳交互作用要占r-1列 ,当r>2时,不宜
(1)选正交表
要求: 原因数≤正交表列数 原因水平数与正交表相应旳水平数一致 选较小旳表
选L9(34)
(2)表头设计
将试验原因安排到所选正交表相应旳列中 因不考虑原因间旳交互作用,一种原因占有一列(能够随
机排列) 空白列(空列):最佳留有至少一种空白列
(3)明确试验方案
(4)按要求旳方案做试验,得出试验成果
(1)等水平正交表: 各原因水平数相等旳正交表 ①记号 :Ln( r m ) L——正交表代号 n——正交表横行数(试验次数) r——原因水平数 m——正交表纵列数(最多能安排旳因数个数)
②等水平正交表特点
表中任一列,不同旳数字出现旳次数相同 表中任意两列,多种同行数字对(或称水平搭配)出现旳
1 n
(
n i 1
yi )2
QP
n
设: Q yi2 i 1
n
T yi i 1
P
1 n
n
(
i 1
yi )2
T2 n
②各原因引起旳离差平方和
第j列所引起旳离差平方和 :
SS j
rr (
n i1
Ki2
)
T2 n
rr (
正交试验设计完整版本
2020/3/26
数理统计在化学中的应用
李 振 华 制
10 造
2. 拉丁方试验设计
均衡分布思想,虽然远在古代就有,但只是在近代才与生 产科研实际相结合,产生了拉丁方、正交表,显示出它的 巨大威力。
2020/3/26
数理统计在化学中的应用
李 振 华 制
3造
2020/3/26
数理统计在化学中的应用
李 振 华 制
4造
2020/3/26
数理统计在化学中的应用
李 振 华 制
5造
$8.3 试验设计
试验设计的目的就是为了试验优化. 试验优化由于具有设计灵活、计算简便、试验次数
少、优化成果多、可靠性高以及适用面广等特点, 因而发展迅速,应用广泛,已成为多快好省地获取 试验信息的现代通用技术,成为科学实验、质量管 理的一个科学工具。
反应时间
产量
1小时 平均值
反应温度
50 oC
69.5
70 oC
71.5
2020/3/26
数理统计在化学中的应用
2小时 平均值
72.0
64.5
李 振 华 制
29 造
最佳条件:
显色剂浓度:2% 显色温度:50 oC 显色时间:2小时 操作方法:不搅拌
2020/3/26
数理统计在化学中的应用
李 振 华 制
18世纪的欧洲,普鲁士弗里德里希·威廉二世(1712一1786 )要举行一次与往常不同的6列方队阅兵式。他要求每个方 队的行和列都要由6种部队的6种军官组成,不得有重复和 空缺。这样.在每个6列方队中,部队军官在行和列全部排 列均衡。群臣们冥思苦想,竟无一人能排出这种方队。后 来,向当时著名的数学家欧拉(1707—1783)请教,由此 引起了数学家们的极大兴趣,致使各种拉丁方问世。
正交试验设计方法讲义及举例
正交试验设计方法讲义及举例正交试验设计方法是一种多因素试验设计方法,它能够有效地减少试验所需的样本数量,提高试验结果的精确性和可靠性。
正交试验设计方法是在已知因素水平的情况下选择对试验结果影响最大的因素进行研究的一种方法。
以下是正交试验设计方法的讲义及举例:一、正交试验设计方法的原理及步骤:1.原理:正交试验设计方法通过选择适当的正交表,将多个因素的不同水平组合进行排列,使各因素的变化对试验结果影响均匀化,从而获得准确可靠的试验结果。
2.步骤:a.确定试验因素及其水平:根据试验目的确定需要研究的因素及其水平。
b.选择正交表:根据试验因素的个数和水平确定适用的正交表,正交表能够保证试验结果的均匀性和可靠性。
c.设计试验方案:根据选择的正交表,将试验因素的水平进行组合,获得试验方案。
d.进行试验:按照试验方案进行实际试验。
e.分析试验结果:对试验结果进行统计分析,获得对试验因素的影响程度及其交互作用等信息。
f.微调试验方案:根据试验结果微调试验方案,迭代优化试验过程。
二、正交试验设计方法的优点:1.降低样本数量:正交试验设计方法能够通过对试验水平的排列组合,使试验因素的水平均匀分布,从而减少试验所需的样本数量。
2.提高试验效率:正交试验设计方法能够在有限样本量下获得更多的试验信息,提高试验效率。
3.确保结果可靠:正交试验设计方法通过保证试验因素的均匀分布,减少人为因素的干扰,从而保证试验结果的可靠性和准确性。
4.揭示因素交互作用:正交试验设计方法能够揭示因素之间的交互作用,进一步优化设计过程。
三、正交试验设计方法的举例:例如,公司要研究一种新的洗发水对头发柔顺度的影响,试验主要包括3个因素:洗发水品牌(A、B、C)、洗发水用量(X、Y、Z)和洗发水停留时间(T1、T2、T3)。
根据正交试验设计方法,按照以下步骤进行设计:1.选择正交表:根据3个因素和各因素的水平,选择适用的正交表,如L9正交表。
2.设计试验方案:根据L9正交表,将3个因素的水平进行组合,得到9个试验方案,每个方案分别测试一种组合情况。
第6章正交试验设计
第6章正交试验设计正交试验设计是一种科学的方法,用于研究多个因素和水平对一个特定实验结果的影响。
这种方法在很多领域都有广泛的应用,包括工程、医学、社会科学和生物科学等。
下面将详细介绍正交试验设计的基本概念、方法和应用。
一、基本概念正交试验设计是一种基于正交性原理的试验设计方法。
正交性原理是指在一组因素中,任意两个因素的不同水平之间都没有相关性。
这意味着每个因素的不同水平都可以独立地影响实验结果,而不会与其他因素的水平产生交互作用。
在正交试验设计中,通常将实验条件或因素设定为不同的水平,并将这些水平组合成一个正交表。
正交表是一种表格,其中每一行代表一个因素的不同水平组合,每一列代表一个因素的独立水平。
通过使用正交表,可以方便地安排多个因素的试验,并有效地分析实验结果。
二、方法1.确定因素和水平在正交试验设计中,首先需要确定要研究的因素和每个因素的水平。
因素是指可能影响实验结果的变量,而水平是指每个因素的不同取值。
在确定因素和水平时,需要考虑实验的目的、现有条件和实际应用等因素。
2.制定正交表根据确定的因素和水平,可以制定一个正交表。
正交表的行数代表实验次数,列数代表因素的数量,而每个单元格则代表一个具体的实验条件或结果。
通常,正交表可以分为标准型和非标准型两大类。
标准型正交表适用于均匀分布在各个因素的水平上,而非标准型正交表则适用于不均匀分布或某些特定条件下的实验设计。
3.实施试验按照正交表中的安排进行试验,记录每次实验的条件和结果。
在实施试验时,需要注意控制实验条件的一致性,以避免误差和干扰因素的影响。
4.分析结果通过对实验结果进行分析,可以得出每个因素对实验结果的影响程度和各因素之间的交互作用。
常用的分析方法包括极差分析、方差分析、回归分析和主成分分析等。
通过分析结果,可以得出最佳的实验条件组合,为实际应用提供指导。
三、应用正交试验设计在许多领域都有广泛的应用,例如:1.工程领域:在机械制造、电子产品制造和化工生产等领域中,经常需要研究多个因素对产品性能的影响。
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整齐可比是指每一个因素的各水平间 具有可比性。因为正交表中每一因素的任 一水平下都均衡地包含着另外因素的各个 水平 ,当比较某因素不同水平时,其它 因素的效应都彼此抵消。如在A、B、C 3个因素中,A因素的3个水平 A1、A2、 A3 条件下各有 B 、C 的 3个不同水计计 算算
Kk 值值
计 算 极 差
R
绘 制 因 素 指 标 趋
势
图
计算各列偏差平方和、 自由度
列方差分析表,
进行F 检验
优水平 优组合
因素主次顺序
结论
分析检验结果, 写出结论
实例:为提高山楂原料的利用率,研究酶法液化工艺 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。
例如,要考察增稠剂用量、pH值和杀菌温度对豆奶稳 定性的影响。每个因素设置3个水平进行试验 。
A因素是增稠剂用量,设A1、A2、A3 3个水平;B因素 是pH值,设B1、B2、B3 3个水平;C因素为杀菌温度,设 C1、C2、C3 3个水平。这是一个3因素3水平的试验,各因 素的水平之间全部可能组合有27种 。
9个试验点均衡地分布于整个立方体内 ,有很强 的代表性 , 能 够比较全面地反映选优区内的基本情 况。
上一张 下一张 主 页 退 出
1.3 正交表及其基本性质
1.3.1 正交表
由于正交设计安排试验和分析试验结果都要用正 交表,因此,我们先对正交表作一介绍。
4第四章 正交实验设计
四因素三水平 全面试验:34=81 正交表:9次
表4-2 L9(34)正交表
列号 试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A 1 1 1 1 2 2 2 3 3 3 B 2 1 2 3 1 2 3 1 2 3 C 3 1 2 3 2 3 1 3 1 2 D 4 1 2 3 3 1 2 2 3 1
第四章 正交试验设计
单因素试验设计方法: 黄金分割法(0.618法)、分数法、交替法、 等差法、等比法、对分法、随机法 为多因素试验水平范围的选取提供了重要依据 多因素试验设计方法: 正交试验设计、均匀试验设计、 回归正交试验设计、回归正交旋转试验设计
实验:因素多,水平数>2个 全面试验法:每个因素的每个水平相互搭配 3因素4水平试验,在每个水平组合上只做1次 试验,试验次数为 43 =64次 4因素4水平,44 =256次 5因素4水平,45 =1024次 随着因素数量的增加,试验次数增加得更快 对试验数据进行统计分析计算,任务非常繁重
2.混合水平正交表:各因素的水平数不完全相同 L8 (41×24) ,简写为L8 (4×24) 1个因素取四水平,另外4个因素取二水平做8次试验 L18(2×37) L16(42×29) 附表9 混合水平 正交表
列号 试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 A 1 1 1 2 2 3 3 4 4 B 2 1 2 1 2 1 2 1 2 C 3 1 2 1 2 2 1 2 1 D 4 1 2 2 1 1 2 2 1 E 5 1 2 2 1 2 1 1 2
(2)挑选因素,确定水平 根据试验目的选出主要因素,略去次要因素 挑选的试验因素一般以3~7个为宜 若第一轮试验后达不到预期目的,可在第一轮试 验的基础上,调整试验因素,再进行试验。 确定因素的水平数时,重要因素可多取一些水平; 各水平的数值应适当拉开,以利于对试验结果分析。 当因素的水平数相等时,可方便试验数据处理。 列出因素水平表 以上两点主要靠专业知识和实践经验来确定,是 正交试验设计的基础。
第二章 正交实验设计
第二章 正交实验设计1.概述任何实验工作,为达到预期目的和效果都必须恰当地进行实验安排,力求通过次数不多的实验掌握实验的基本规律并取得满意的结果。
为了拟定一个正确而简便的实验流程,必然要研究影响实验结果的种种条件,诸如原料的配比、反应温度、反应时间以及各实验条件之间的相互影响等等。
同时,对于影响实验结果的每一种条件,还应通过试验选择合理的范围。
在这里,我们把实验研究的目的叫做指标;把实验中要研究的条件叫做因素;把每种条件在实验范围内的取值叫做该条件的水平。
这就是说我们实验过程中遇到的问题可能包括多种因素,各种因素又有不同的水平,每种因素可能对实验结果产生各自的影响,也可能彼此交织在一起影响实验结果。
正交试验设计(Orthogonal experimental design)就是用于安排多因素实验并考察各因素影响大小的一种科学设计方法。
它始于1942年,之后在各个领域里都得到很快的发展和广泛应用。
这种科学设计方法是应用一套已规格化的表格——正交表来安排实验工作,其优点是适合于多种因素的实验设计,便于同时考查多种因素、各种水平对指标的影响,通过较少的实验次数,选出最佳的实验条件。
2. 正交试验设计的基本方法2.1 全面试验法例1: 某实验中为了提高石膏产品的抗压强度,对实验中三个主要因素各按三个水平进行试验(见表2-1),试验的目的是寻求最适宜的成分配比。
表2.1 因素水平对此实例进行全面试验法方案(如图2.1所示),此方案数据点分布的均匀性极好,因素和水平的搭配十分全面,唯一的缺点是实验次数多达33=27次(指数3代表3个因素,底数3代表每因素有3个水平)。
图2.1全面试验法方案2.2 比较实验法W 2 W 2 W 2 R 3 R 2 R 1W 3W 1 W 3 W 1 W 3 W 1S 1 R 3 R 2 R 1S 2W 1 W 2 W 3 W 1 W 2 W 3 W 1 W 2 W 3R 2R 3W 2 W 2 W 3W 1 W 3 W 1 W 3 W 1 W 2 R 1S 3从例1可看出,采用全面试验法方案,需做27次实验,采用比较法方案见图2.2.(1) (2) (3)图2.2比较法方案先固定S 1和R 1,只改变W ,观察因素W 不同水平的影响,做了如图2.2(1)所示的三次实验,发现W =W 2时的实验效果最好(好的用□表示),石膏强度最高,因此认为在后面的实验中因素W 应取W 2水平。
正交试验设计(内容详尽)
用于探索最佳的药物剂量、治疗方案等。
农业科学研究
用于研究不同肥料、农药、种植方式等对农 作物产量的影响。
化学工业
用于研究不同反应条件对化学反应的影响, 提高产物的收率和质量。
正交试验设计的原则
1 2
均衡分布原则
确保每个因素每个水平的试验条件都有机会出现, 避免结果的片面性。
整齐可比原则
保证试验结果的可比性,以便进行数理统计分析。
案例二:化学反应中的正交试验设计
在化学反应中,正交试验设计用于研究不同反应条件 对产物收率和纯度的影响。
例如,在合成某种药物中间体的过程中,通过正交试 验设计来探究温度、压力、催化剂种类和浓度对产物
收率和纯度的影响。
通过优化反应条件,可以提高产物的收率和纯度,降 低生产成本并提高生产效率。
案例三:生物医学研究中的正交试验设计
安排试验计划
总结词:计划性
详细描述:根据正交表,安排详细的 试验计划。这一步骤包括确定试验的 各个水平、组合方式以及试验的顺序 等。合理的试验计划有助于提高试验 的效率和准确性。
实验结果分析
总结词:分析性
VS
详细描述:在完成试验后,对试验结 果进行统计分析。这一步骤包括数据 的整理、处理、分析和解释等。通过 结果分析,可以得出关于试验因素对 试验结果影响的结论,并据此优化试 验方案或进行进一步的研究。
正交试验设计案例分
05
析
案例一:材料科学中的正交试验设计
材料科学中,正交试验设计常用于研究不同材 料成分和工艺参数对材料性能的影响。
例如,在钢铁冶炼过程中,通过正交试验设计 来探究不同温度、压力、时间和合金元素对钢 材强度、韧性和耐腐蚀性的影响。
通过对试验结果的分析,可以确定最佳的工艺 参数组合,从而提高产品质量和降低生产成本。
正交试验设计方法详细步骤
正交试验设计方法详细步骤正交试验设计方法(Orthogonal Experimental Design)是一种通过系统地变化每个试验因素的水平,来确定各个试验因素对结果的影响的实验设计方法。
它可以帮助研究者有效地评估各个试验因素对结果的影响程度,并找到最佳的组合方案。
本文将详细介绍正交试验设计方法的步骤。
一、确定试验因素和水平首先,我们需要确定参与实验的各个试验因素及其可能的水平。
试验因素是指影响结果的各个因素,而水平则是试验因素可能的取值。
在确定试验因素和水平时,要考虑到实验目的和实际情况,确保涵盖了可能的影响因素。
二、建立正交表正交表是正交试验设计的核心工具,它是由行和列组成的表格,用于指导实验的进行。
根据试验因素的个数和水平数量,选择适当的正交表。
常用的正交表包括L8、L16、L32等。
三、确定试验方案根据正交表,确定实验方案。
将正交表的行用于标识试验次数,将列用于表示各个试验因素及其水平的组合。
在确定试验方案时,要保证各个水平和因素的组合均匀且全面。
四、进行实验按照试验方案,进行实验。
根据正交表的设计原理,每个试验因素的水平都会被均匀地应用到各个试验中,从而使得各个试验的结果具有可比性。
五、收集数据在实验进行过程中,要准确地记录各个试验的结果数据。
根据实验目的和需要,可以选择合适的数据收集方法和工具,如测量仪器、问卷调查等。
六、数据分析与解释对收集到的数据进行分析和解释,评估各个试验因素对结果的影响程度。
常用的数据分析方法包括方差分析、回归分析等。
通过数据分析,可以得出各个试验因素的影响大小和统计显著性,为进一步优化和改进提供依据。
七、优化和改进根据数据分析的结果,可以进一步优化和改进设计方案。
针对影响较大的试验因素,可以考虑调整其水平,或者进行二次试验以进一步验证结果。
八、总结报告最后,根据实验结果和分析,撰写总结报告。
总结报告应包括实验目的、方法、结果和结论等内容,以便他人理解和参考。
(完整版)正交实验设计
正交实验设计当析因设计要求的实验次数太多时,一个非常自然的想法就是从析因设计的水平组合中,选择一部分有代表性水平组合进行试验。
因此就出现了分式析因设计(fractional factorial designs),但是对于试验设计知识较少的实际工作者来说,选择适当的分式析因设计还是比较困难的。
正交试验设计(Orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的又一种设计方法,它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,这些有代表性的点具备了“均匀分散,齐整可比”的特点,正交试验设计是分式析因设计的主要方法。
是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。
日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格,称为正交表。
例如作一个三因素三水平的实验,按全面实验要求,须进行33=27种组合的实验,且尚未考虑每一组合的重复数。
若按L9(3)3正交表按排实验,只需作9次,按L18(3)7正交表进行18次实验,显然大大减少了工作量。
因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。
1.正交表正交表是一整套规则的设计表格,用。
L为正交表的代号,n为试验的次数,t为水平数,c为列数,也就是可能安排最多的因素个数。
例如L9(34),(表11),它表示需作9次实验,最多可观察4个因素,每个因素均为3水平。
一个正交表中也可以各列的水平数不相等,我们称它为混合型正交表,如L8(4×24) (表12),此表的5列中,有1列为4水平,4列为2水平。
根据正交表的数据结构看出,正交表是一个n行c列的表,其中第j列由数码1,2,… S j组成,这些数码均各出现N/S次,例如表11中,第二列的数码个数为3,S=3 ,即由1、2、3组成,各数码均出现次。
正交表具有以下两项性质:(1)每一列中,不同的数字出现的次数相等。
例如在两水平正交表中,任何一列都有数码“1”与“2”,且任何一列中它们出现的次数是相等的;如在三水平正交表中,任何一列都有“1”、“2”、“3”,且在任一列的出现数均相等。
正交试验设计(内容详尽)
例:在弹簧生产中,为提高弹性、防止弹簧断裂,要进行 回火工艺试验。试验中选取回火温度(A)、保温时间 (B)、工件重量(C)三个试验因素,每个因素取1、2、 3三个水平进行试验,希望通过试验确定出最佳的生产条件 (工艺条件)。
水平
因素
1
2
3
A 回火温度(℃)
440
470
500
B 保温时间(min)
的规律,以肯定或否定先前的调查研究结论、发现新规律 而进行的有计划活动。
试验的实质:是一种用以测定过程或系统某些特定性 能的有目的的测试。
■ 试验设计(DOE,Design of Experiment)
试验设计是数理统计学领域的一个分支。它是以概 率论、数理统计、线性代数等为理论基础,科学地设计 试验方案,正确合理地分析试验结果,以较少的试验工 作量和较低的成本获取足够、可靠的有用信息。
7.2 试验设计的统计学基础
7.2.1 常用统计量
■ 极差 极差指的是一组数据中的最大值与最小值之差,也称
为变异幅。
R xmax xmin
极差反映了一组数据的最大离散程度。
■ 和与平均值
设有n个观测值 x 1,x2, ,xn构成的一组数据,定义
和 平均值
n
T xi i 1
x
1 n
n i 1
xi
T n
■ 偏差(离差)
偏差有以下两种表示方法:
◆ 观测值与期望值 之差
di xi (i 1,2,, n)
◆ 观测值与平均值 x 之差 vi xi x(i 1,2,, n)
由于期望值通常是未知的,因此试验中常使用后者, 前者只用于理论分析中。
● 重复原则——利用重复观测减小试验误差,提高试 验精度;
正交试验设计方法(详细步骤
y)2
n i 1
yi2
1( n n i1
yi )2
QP
n
设: Q yi2 i 1
n
T yi i 1
P
1( n n i1
yi )2
T2 n
②各因素引起的离差平方和
第j列所引起的离差平方和 :
SS j
r( r n i1
Ki2
)
T2 n
r( r n i1
对三个指标分别进行直观分析: 提取物得率:
因素主次:C A B 优方案:C3A2B2 或C3A2B3 总黄酮含量: 因素主次:A C B 优方案:A3C3B3 葛根素含量 : 因素主次:C A B 优方案:C3A3B2 综合平衡:A3B2C3
③综合平衡原则: 次服从主(首先满足主要指标或因素) 少数服从多数 降低消耗、提高效率 ④综合平衡特点: 计算量大 信息量大 有时综合平衡难
(1)选正交表
要求: 因素数≤正交表列数 因素水平数与正交表对应的水平数一致 选较小的表
选L9(34)
(2)表头设计
将试验因素安排到所选正交表相应的列中 因不考虑因素间的交互作用,一个因素占有一列(可以随
机排列) 空白列(空列):最好留有至少一个空白列
(3)明确试验方案
④计算极差、确定因素主次
注意: 排因素主次顺序时,应该包括交互作用
⑤优方案的确定 如果不考虑因素间的交互作用 ,优方案:A2B2C1 交互作用A×C比因素C对试验指标的影响更大 因素A,C水平搭配表
因素A,C水平搭配表
A1
C1 (y1+ y3)/2 =(0.484+0.532)/2=0.508
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偏差大小,通常用 V 表示:
V S2 / f
存在期望值时:
V
1 n
n
( xi
i 1
)2
不存在期望值时:
V
1 n1
n
( xi
i 1
x)2
均方差也称为准偏差或标准差,定义为方差的平方根,
通常用 表示,即
存在期望值时:
V
1 n
n i 1
( xi
)2
不存在期望值时:
V
1 n
1
n i 1
正交试验设计
7.1.5 试验的主要步骤(阶段)
● 试验设计阶段——选题、设计试验方案、准备试 验材料及设备、安排试验环境等;
● 试验实施阶段——按计划进行试验(包括试验操 作、收集试验数据等);
● 试验分析阶段——核查试验数据、进行统计分析、 解释试验结果、获取试验结论等。
正交试验设计
7.1.6 试验设计的基本原则(费歇尔三原则)
● 重复原则——利用重复观测减小试验误差,提高试 验精度;
● 随机化原则——目的是为了消除或减小人为因素引 起的系统误差的影响;
● 局部控制原则——该原则也称为区组控制原则,指 的是把比较的水平设置在差异较小的区组内,其目的也是 为了消除或减小试验中系统误差的影响。例如,按机器设 备、班次、原料批号、操作人员划分区组。
其他:
★ 标示因素
★ 区组因素
★ 信号因素
★ 误差因素
正交试验设计
⑷ 因素的水平 试验中因素变化的状态和条件称为因素的水平或位数,
简称水平。水平用数字(1,2,3…)表示。 试验中设计过程中水平的选取原则是:
◆ 宜选用三水平,以有利于实验结果的分析; ◆ 水平通常取等间隔,特殊情况下取对数间隔; ◆ 水平应该具体。水平应该是可控的,其变化对试验指 标有影响。
正交试验设计
● 中期发展阶段(约1950s~1970s,以正交试验设计、回归 试验设计为代表)
◆ 40年代末、50年代初,以田口玄一(Genichi Taguchi) 为代表的日本电讯研究所(EOL)的研究人员在研究电话 通讯设备质量时从英、美引进了试验设计技术,提出了 “正交试验设计法”;
该所的产品——线形弹簧继电器,有几十 个特性值和两千多个试验因素,经7年研制成 功,其性能比美国的同一产品更优。虽然其成 本仅几美元,研究费用却用了几百万美元,创 造的经济效益高达几十亿美元!同时挤垮了美 国的企业。
次设计、回归试验设计、完全随机化试验设计、随机区组试验设计、 拉丁方试验设计、正交拉丁方试验设计、均匀试验设计等。
正交试验设计
7.2 试验设计的统计学基础
7.2.1 常用统计量
■ 极差 极差指的是一组数据中的最大值与最小值之差,也称
为变异幅。
R xmax xmin
极差反映了一组数据的最大离散程度。
水平
因素
1
2
3
A 回火温度(℃)
440
470
500
B 保温时间(min)
3
4
5
C 工件重量(kg)
7.5
9.0
10.5
正交试验设计
■ 几个术语 ⑴ 特性值
事物与现象的各种性质、状态称为事物的特性,表征 特性的数值称为特性值。
前例中,弹簧弹性可用弹性模量E来表征,E的数值就 是弹簧弹性的一种特性值。
水平 1
因素
A 回火温度(℃)
440
B 保温时间(min)
3
C 工件重量(kg)
7.5
2
470
4
9.0
3
500
5
10.5
正交试验设计
7.1.4 试验设计的作用
通过合理、科学的试验设计,可以显著提高产品的设 计、开发质量,找出最佳的工艺条件,从而提高产品最终 的质量。
田口认为,设计质量(包括产品设计和工艺设计)对 整个产品质量的贡献约为60%~70%。
由于期望值通常是未知的,因此试验中常使用后者, 前者只用于理论分析中。
注意:
n
n
vi (xi x) 0
i 1
i 1
正交试验设计
■ 偏差平方和与自由度
偏差平方和用来表示一组数据的离散程度,通常用 表S 2
示。
存在期望值时:
n
S 2 ( xi )2 i 1
不存在期望值时:
n
S 2 ( xi x)2 i 1
输入
过程或系统
输出
z1 z2
zq
不可控因素
输入可理解为试验开始时过程或系统的初始状态、特征。
在一些可控因素和一些不可控因素的影响下,产生一定的输
出(响应),该输出(响应)就是试验结果。
正交试验设计
例:在弹簧生产中,为提高弹性、防止弹簧断裂,要进行 回火工艺试验。试验中选取回火温度(A)、保温时间 (B)、工件重量(C)三个试验因素,每个因素取1、2、 3三个水平进行试验,希望通过试验确定出最佳的生产条件 (工艺条件)。
◆ 确定出各因素对试验指标的影响规律,得知哪些因素的 影响是主要的、哪些因素的影响是次要的、哪些因素之间 存在相互影响; ◆ 选出各因素的一个水平组合来确定最佳生产条件。
正交试验设计的基础是正交表。
7.1.3 基本概念
■ 过程或系统
人、机器、实验条件等资源的组合。
正交试验设计
可控因素
x1 x2
xp
自由度指的是关系式中独立数据的个数,通常用 f 表示。
例如,在计算偏差平方和的过程中,若表达式中使用
的是期望值 ,则 f n;若表达式中使用的是平均值 x ,
n
则因为存在约束条件 ( xi x) 0 而使独立数据的个数少 i 1
了一个,因此f n 1 。
正交试验设计
■ 方差与均方差
方差也称为平均偏差平方和,表示单位自由度所对应的
注意:
◆ 每个指标唯一表示一种特性,某一试验过程中不能用多个指标 重复表示同一种特性。
◆ 试验指标应尽可能采用计量特性值。
正交试验设计
⑶ 试验因素(简称因素)
对试验结果(特性值)可能有影响的原因或要素。
★ 可控因素:人可以控制、调节的因素(如加热温度、切 削速度等)。 ★ 不可控因素:人不可控制、调节的因素(如机床的随机 振动、试验中的随机误差等)。 注意:试验设计中主要考虑可控因素,不可控因素的影响 通过数据处理来处理。
■ 试验 所谓试验,一般指用于发现新的现象、新的事物、新
的规律,以肯定或否定先前的调查研究结论、发现新规律 而进行的有计划活动。
试验的实质:是一种用以测定过程或系统某些特定性 能的有目的的测试。
正交试验设计
■ 试验设计(DOE,Design of Experiment)
试验设计是数理统计学领域的一个分支。它是以概 率论、数理统计、线性代数等为理论基础,科学地设计 试验方案,正确合理地分析试验结果,以较少的试验工 作量和较低的成本获取足够、可靠的有用信息。
正交试验设计
■ 和与平均值
设有n个观测值 x1, x2 ,, xn 构成的一组数据,定义
和 平均值
n
T xi i 1
x
1 n
n i 1
xi
T n
正交试验设计
■ 偏差(离差)
偏差有以下两种表示方法:
◆ 观测值与期望值 之差 di xi (i 1,2,, n)
◆ 观测值与平均值 x 之差 vi xi x(i 1,2,, n)
正交试验设计
⑵ 试验指标(简称指标)
根据试验目的所选定的、用来考察试验结果的特性值。
● 按指标的性质分
★ 数值指标:用数值表示特性值的指标(如重量、强度、精度、 寿命、成本等)。
★ 非数值指标:不能用数值表示特性值的指标(如光泽、颜色、 味道、手感等)。
● 按试验指标的数量分
★ 单指标:试验指标只有一个。 ★ 多指标:试验指标只有多个。
( xi
x)2
正交试验设计
7.2.2 样本及其分布
■ 总体、个体与样本 总体(population):被研究对象的全体。 个体(individual):组成总体的每个单元。
个体有限的总体称为有限总体;个体无限的总体称为无限总体。
例如:
◆ 研究灯泡的寿命(总体),则每只灯泡的寿命就是总体(灯泡寿命) 中的一个个体。 ◆ 研究晶体管的直流放大倍数(总体),则每只晶体管的直流放大倍数 就是总体中的一个个体。
试验设计与分析的发展大致可划分为三个历史阶段。
正交试验设计
● 早期、传统试验设计阶段(约1920s~1950s)
费歇尔在农场进行田间试验的过程中,对高产小麦品种 遗传进行研究。为减少偶然因素对试验的影响,他对各种试 验因素的每一水平组合进行了试验,并通过方差分析评价指 标的优劣(用于排除偶然因素的影响),使小麦大幅度增产。
正交试验设计
正交试验设计(Orthogonal Design)是于二十世纪50年 代初期,由日本质量管理专家田口玄一(Tachugi)博士提 出的在多因素试验设计方法的基础上,进一步研究开发出来 的一种试验设计技术。
正交试验设计法使用一种规范化的表格(正交表)进行 试验设计,可以用较少的试验次数,取得较为准确、可靠的 优选结论。正交试验设计主要可以完成:
试验设计的主要研究内容: ◆ 哪个因素对特性值影响较大?如何影响? ◆ 如何设置各因素的水平,使特性值接近预期的期望值? ◆ 如何设置各因素的水平,使特性值的方差(波动)最小? ◆ 如何设置可控因素的水平,使非可控因素的影响最小? ……
正交试验设计
7.1.2 试验设计的发展历史
试验设计的基本思想和方法是英国统计学家、工程师费 歇尔(R.A.Fisher,1890~1962)于20世纪20年代创立的,他 是试验设计的奠基人并对其后的发展做出了卓越的贡献。