實驗設(shè)計-2012級

1、實驗設(shè)計冶金工程121班實驗設(shè)計的基本概念一、指標(biāo) 定義：在實驗設(shè)計中，把判斷實驗效果好壞所采用的標(biāo)準(zhǔn)稱為實驗指標(biāo)。 例：在材料力學(xué)性能實驗中，常把材料的強度與蘇醒等作為主要的試驗指標(biāo)。二、因素（或稱因子） 定義：將有可能影響實驗指標(biāo)的條件，稱為因素。 例：影響合金強度的因素有合金元素的含量，淬火溫度及回火溫度等。三、水平 定義：通常把影響實驗指標(biāo)的因素加以控制、分組。每個分組稱為因素水平。 例：合金強度實驗中，某合金元素的不同含量、不同的回火溫度等均為相應(yīng)元素的不同水平。什么是實驗設(shè)計？什么是實驗設(shè)計？實驗設(shè)計的基本原理 實驗是研究者在某個研究領(lǐng)域中進(jìn)行的，通常是要發(fā)現(xiàn)關(guān)于一個特定過程或系統(tǒng)

2、的某些現(xiàn)象和規(guī)律。 一個設(shè)計的實驗是一次試驗或一系列試驗，它對一過程或系統(tǒng)的輸入變量作一些有目的的改變，以便能夠觀測到和識別出可在輸出響應(yīng)中觀測到的變化的緣由。實驗?zāi)康陌ǎ?）確定哪些變量對y的影響最大；2）確定有影響的x設(shè)置為何值時可使y幾乎接近于所希望的值；3）確定有影響的x設(shè)置為何值時可使y的變異性最?。?）確定有影響的x設(shè)置為何值時可使不可控制的變量的效應(yīng)最小。 實驗設(shè)計，廣義理解是指實驗研究課題設(shè)計，也就是整個實驗計劃的擬定。 主要包括課題的名稱、實驗?zāi)康?、研究依?jù)、內(nèi)容及預(yù)期達(dá)到的效果、實驗方案、實驗單位的選取、重復(fù)數(shù)的確定、實驗單位的分組、實驗的記錄項目和要求。實驗結(jié)果的分析方

3、法、經(jīng)濟效益或社會效益，已具備的條件，需要購置的儀器設(shè)備，參加人員的分工，實驗試劑、地點、進(jìn)度安排和經(jīng)費預(yù)算，成果鑒定，學(xué)術(shù)論文撰寫等內(nèi)容。 實驗設(shè)計，狹義的理解是指試驗單位的選取，重復(fù)數(shù)目的確定及實驗單位的分組。 實驗設(shè)計的目的是避免系統(tǒng)誤差，控制、降低實驗誤差，無偏估計處理效應(yīng)，從而對樣本所在總體做出可靠、正確的推斷。實驗設(shè)計的基本原理 重復(fù) 隨機 區(qū)組化例：想要研究兩種不同的淬火工藝（油淬和鹽水淬）對一種鋁合金的效應(yīng)。目的：確定哪種淬火溶液能使得這種特殊合金的硬度最大。方法：對每種淬火介質(zhì)都提供若干合金試樣并在淬火后測量試件的硬度。以試樣在每種淬火溶液中處理之后的平均硬度來確定哪一種溶液

4、是最好的。即多個鋁合金試樣，同時在每一種淬火溶液中處理多次。一、重復(fù) 即基本實驗的重復(fù)進(jìn)行。（重復(fù)是油淬處理一塊試樣和鹽水淬處理一塊試樣所組成。）重復(fù)的優(yōu)點： 可得到實驗誤差的一個估計量； 一定的重復(fù)次數(shù)，可使實驗誤差足夠小；可求得實驗因素的效應(yīng)更為精確的估計量。二、隨機化 在上例中，如果試樣厚度稍有差異，而如果所有經(jīng)受油淬的試樣都厚于經(jīng)受鹽水淬的試樣，則淬火介質(zhì)的效應(yīng)與厚度效應(yīng)難以區(qū)分。 方法：給淬火介質(zhì)隨機的分派試樣。 含義：實驗材料的分配和實驗的各個實驗進(jìn)行的次序，都是隨機確定的。 優(yōu)點： 隨機化可使觀測值（或誤差）是獨立分布的隨機變量。 有助于“平均出”可能出現(xiàn)的外來因素的效應(yīng)。三、區(qū)

5、組化 試證明兩臺同一型號硬度試驗機對金屬試樣的測試結(jié)果是相同的。 一般方法：隨機選取一批金屬樣品。樣品的一半用試驗機1檢測，另一半用試驗機2檢測。（完全隨機化設(shè)計） 問題：若樣品之間缺乏均勻性，會產(chǎn)生硬度數(shù)據(jù)的變異性，增大實驗的誤差，因而試驗機之間的真實差別就難于檢測出來。 解決方法：每一塊樣品劃分為兩部分，隨機的分別用兩臺試驗機測定每塊樣品的每一部分?？上龢悠分g的差別帶來的影響。（隨機化區(qū)組設(shè)計） 含義：一個區(qū)組是一個相對均勻的實驗單元，是對完全隨機化的一種約束，實驗僅僅在區(qū)組內(nèi)部是隨機化的。 即配對比較設(shè)計：更一般的稱為隨機區(qū)組設(shè)計的設(shè)計類型的特殊情況。 區(qū)組：一個相對均勻的實驗單元，

6、并且區(qū)組表示對完全隨機化的一個約束，因為實驗僅僅在區(qū)組內(nèi)部是隨機化的。 優(yōu)點：可提高實驗精確度。常用實驗方法介紹實驗是科學(xué)方法的一項重要組成部分。 機理模型：直接由物理原理得到的模型，比如歐姆定律。 經(jīng)驗?zāi)Ｐ停嚎茖W(xué)和工程中的大多數(shù)問題要求對系統(tǒng)的運行進(jìn)行觀測和實驗，從而闡明系統(tǒng)運行的原因和方式，設(shè)計良好的實驗通?？梢詫?dǎo)出系統(tǒng)運行的模型，這種由實驗決定的模型稱作經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。一、全面實驗?定義：把全部因素的所有水平都一一搭配起來，進(jìn)行實驗。選擇因子的任意組合。測試它們，觀測發(fā)生了什么。每次實驗改變一個或兩個因子的水平，這種方法幾乎可以無限期的繼續(xù)下去，稱為最佳猜測法。 分析： 通過全面實驗?zāi)軌蛘页?/p>

7、最好的搭配方案。 費時費工，有時甚至不可能實現(xiàn)。 除了一些簡單的情況外，一般不進(jìn)行全面實驗。二、一次一因子（簡單對比法）。 簡單對比法是每次實驗時只變化其中一個因素的水平，其余的固定，然后逐步的得到最優(yōu)方案的實驗方法。對每個因子選擇初始點，或者水平的初始組合，然后在保持其他因子在初始水平不變的條件下，讓每一個因子在其所允許的范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)變動。當(dāng)所有實驗都做完后，就可以做出一系列的圖形，來顯示響應(yīng)變量如何受各個單因子變化（即保持其他因子不變）的影響。 分析： 沒有考慮因子間可能存在的交互作用。 簡單對比法比全面實驗的次數(shù)少。 各因素的水平參加實驗的機會不均等。 固定因素的先后次序及水平大小都會

8、影響實驗結(jié)果。 “最優(yōu)方案”是否最優(yōu)，難以充分肯定。三、正交實驗設(shè)計法 處理多個因子的正確方法是析因?qū)嶒?，是所有因子一次變化，而不是一次變一個。 然后進(jìn)行正交分析。實驗設(shè)計指南1）問題的識別與表述如何提問！2）響應(yīng)變量的選擇測量特性的平均值或標(biāo)準(zhǔn)差3）因子、水平和范圍的選擇變化條件和變化范圍4）實驗設(shè)計的選擇如何實驗（方案制定）5）進(jìn)行實驗按計劃進(jìn)行6）數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析科學(xué)結(jié)果處理7）結(jié)論和建議結(jié)果的應(yīng)用1）問題的識別與表述 明確的陳述問題通常有助于更好的理解正在研究的對象以及問題的最終解決方案?？紤]： 是否是一個新的過程或者系統(tǒng)？ 系統(tǒng)是否能被優(yōu)化？實驗實驗?zāi)繕?biāo)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)確認(rèn)確認(rèn)如果開發(fā)新

9、的材料、變?nèi)绻_發(fā)新的材料、變量、運行條件等，將會量、運行條件等，將會發(fā)生什么？發(fā)生什么？系統(tǒng)運行的方式是否系統(tǒng)運行的方式是否與以前一樣？與以前一樣？穩(wěn)健性穩(wěn)健性在什么條件下響應(yīng)變量在什么條件下響應(yīng)變量受因子的影響??？受因子的影響??？2）響應(yīng)變量的選擇 所謂響應(yīng)就是試驗的觀察或結(jié)果。選擇響應(yīng)變量時試驗者應(yīng)確信這個變量真正會對研究的過程提供有用的信息。 通常取測量特性的平均值或標(biāo)準(zhǔn)差為響應(yīng)變量在選擇響應(yīng)變量時。3）因子、水平和范圍的選擇 因素可以是定量的也可以是定性的，如時間、溫度、壓力等均可在一個連續(xù)區(qū)域內(nèi)取值的因素叫做定量因素。 而操作模式、供應(yīng)商、位置、生產(chǎn)線等都是定性因素的例子。 因素和

10、水平選擇的重要原則是不能遺漏所有對響應(yīng)影響可能是重要的因素，不能受過去經(jīng)驗的過分影響，特別是在試驗的早期階段或工序尚未成熟時。當(dāng)目的是因素篩選或過程特征化時，通常最好保持較低的因素和水平。4）實驗設(shè)計的選擇 在進(jìn)行試驗設(shè)計時，重要的是，思想上總要想著試驗的目的。一個不好的實驗設(shè)計可能只獲得極少的信息，而一個精心安排好的設(shè)計試驗可能會使結(jié)果變得清晰明白，而且不需要進(jìn)行太復(fù)雜的分析。5）進(jìn)行實驗 必要時可先做一個嘗試性的試驗，看看因素設(shè)置與響應(yīng)測量有否問題。在試驗中任何與試驗計劃有偏離的內(nèi)容都必須記錄下來，謹(jǐn)慎監(jiān)視試驗的過程以確保按計劃實施試驗過程。6）數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析 在數(shù)據(jù)解釋中，簡單的圖解法往往是首選的方法。分析數(shù)據(jù)包括模型的擬合、通過殘差分析評估模型的假定。統(tǒng)計方法不能證明一個因素（或幾個因素）有特殊的效應(yīng)。7）結(jié)論和建議 基于數(shù)據(jù)分析，最終得出某些推斷或結(jié)論。結(jié)論包括識別的重要因素以及這些重要因素對響應(yīng)所建立的模型，也可包括給出關(guān)于這些重要因素好的水平組合設(shè)置的建議。 有時必要時再做一個驗證性試驗，以驗證推薦的水平組合是否真的好。 結(jié)論