張建國《試驗優(yōu)化設(shè)計作業(yè)》

1、實驗優(yōu)化設(shè)計作業(yè) 專業(yè)：2012屆農(nóng)業(yè)機械化研究生 姓名：張建國 學號：10951092212032 輔導老師：李曉勤 日期：2013年5月18日 正交試驗設(shè)計 心得主要內(nèi)容：一、概述二、正交試驗設(shè)計結(jié)果的直觀分析法 三、正交試驗設(shè)計結(jié)果的方差分析法 正交試驗法： 在優(yōu)選區(qū)內(nèi)利用正交表科學地安排試驗點，通過試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，縮小優(yōu)選范圍，或者得到較優(yōu)點的多因素試驗方法。 1 概述 引例多因素的試驗設(shè)計問題指標收率因素(1)原料A的用量 (2)原料B的用量(3)液固比C (4)反應(yīng)溫度D (5)反應(yīng)壓力E (6)催化劑的用量F (7)反應(yīng)時間G (8)攪拌強度H水平8個因素各取3個水平進行全面

2、搭配的試驗次數(shù)為： 38=6561 次科學問題：能否只做其中一小部分試驗，通過數(shù)據(jù)分析來達到全面試驗的效果呢？正交表（一）正交表的代號及含義常用正交表的形式為： Ln（r m） 式中，L 正交表的符號； n 要做的試驗次數(shù)； r 因素的水平數(shù)； m 最多允許安排的因素個數(shù)。如： L8（27） 完全試驗次數(shù)：128 L27（313）完全試驗次數(shù)：1594323（二）正交表的形式（1）等水平正交表：指各個因素的水平數(shù)都相等的正交表。 如 L8（27），L27（313）（2）混合水平正交表：指試驗中各因素的水平數(shù)不相等的正交表 如 L8（4124） ，L24（3424）（三）正交表的特點（1） 每一

3、列中，不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相等，即對任何一個因素，不同水平的試驗次數(shù)是一樣的。（2） 任意兩列中，同一橫行的兩個數(shù)字構(gòu)成有序數(shù)對，每種數(shù)對出現(xiàn)的次數(shù)是相同，即任何兩個因素之間都是交叉分組的全面試驗。 （四）正交試驗設(shè)計的分類2 正交試驗設(shè)計的優(yōu)點 能在所有試驗方案中均勻地挑選出代表性強的少數(shù)試驗方案。 通過對這些少數(shù)試驗方案的結(jié)果進行統(tǒng)計分析，可以推出較優(yōu)的方案，而且所得到的較優(yōu)方案往往不包含在這些少數(shù)試驗方案中。 對試驗結(jié)果作進一步的分析，可以得到試驗結(jié)果之外的更多信息。例如，各試驗因素對試驗結(jié)果影響的重要程度、各因素對試驗結(jié)果的影響趨勢等。 2.1正交試驗設(shè)計的基本步驟包括兩部分：一是試驗

4、設(shè)計；二是數(shù)據(jù)處理（1）明確試驗目的，確定評價指標（2）挑選因素，確定水平 （3）選正交表，進行表頭設(shè)計（4）明確試驗方案，進行試驗，得到結(jié)果 （5）對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析 （6）進行驗證試驗，作進一步分析2. 2 正交試驗設(shè)計結(jié)果的直觀分析法2.2.1 單指標正交試驗設(shè)計及其結(jié)果的直觀分析 例2-2 檸檬酸硬脂酸單甘酯是一種新型的食品乳化劑，它是檸檬酸與硬脂酸單甘酯在一定的真空度下，通過酯化反應(yīng)制得，現(xiàn)對其合成工藝進行優(yōu)化，以提高乳化劑的乳化能力。乳化能力測定方法：將產(chǎn)物加入油水混合物中，經(jīng)充分地混合、靜置分層后，將乳狀液層所占的體積百分比作為乳化能力。根據(jù)探索性試驗，確定的因素與水平如表6

5、5所示，假定因素間無交互作用。 （1）明確試驗目的，確定評價指標試驗目的提高產(chǎn)品的乳化能力評價指標單指標：乳化能力（3）選正交表，進行表頭設(shè)計 a 按水平數(shù)選表 b 根據(jù)試驗特點選表（2）挑選因素，確定水平水平(A)溫度/ (B)酯化時間/ h(C)催化劑種類11303甲21202乙31104丙 等水平正交表： 2 水平正交表 L4（23）、L8（27）、L12（211）. 3 水平正交表 L9（34）、L18（37）、L27（313）. 4 水平正交表 L16（45）、L32（49）、L64（421）. 5 水平正交表 L25（56）. 8 水平正交表 L64（89）.因素A空列BC列號12

6、34 表頭設(shè)計：一個因素占一列，不同因素占不同的列 本例是一個3水平的試驗，要選用Ln(3m)型正交表， 有3個因素，不考慮交互作用，m3 ，選L9 ( 34) （4）明確試驗方案 把各列上的數(shù)字1、2、3分別看成是該列因素在各個試驗中的水平數(shù)每行對應(yīng)一個試驗方案試驗號A空列BC試驗方案11111A1B1C121222A1B2C231333A1B3C342123A2B2C352231A2B3C162312A2B1C273132A3B3C283213A3B1C393321A3B2C1 如果將各因素對應(yīng)的水平的具體數(shù)值填上去，則試驗方案更加明確 A3B2C1(1) 甲(2) 2(3)(3) 110

7、9A3B1C3(3) 丙(1) 3(2)(3) 1108A3B3C2(2) 乙(3) 4 (1)(3) 1107A2B1C2(2) 乙(1) 3(3)(2) 1206A2B3C1(1) 甲(3) 4 (2)(2) 1205A2B2C3(3) 丙(2) 2(1)(2) 1204A1B3C3(3) 丙(3) 4 (3)(1) 1303A1B2C2(2) 乙(2) 2(2)(1) 1302A1B1C1(1) 甲(1) 3(1)(1) 1301試驗方案(C) 催化劑種類(B) 酯化時間/ h空列(A) 溫度/ 試驗號按規(guī)定的方案做試驗，將試驗結(jié)果（指標）填寫在表的最后一列中0.660.640.670.

8、820.850.870.570.740.56乳化能力 （5）對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析極差分析 計算每個因素中各水平試驗結(jié)果之和Ki :Ki =(同一列中與i水平有關(guān)的試驗結(jié)果) 計算每個因素中各個水平的平均效果ki:ki = Ki / 同一列中i水平的重復次數(shù) 計算極差R ： R= max Ki min Ki 或 R= max ki min ki 試驗號(A) 溫度/ 空列(B) 酯化時間/ h(C) 催化劑種類乳化能力1(1) 130(1)(1) 3(1) 甲0.562(1) 130(2)(2) 2(2) 乙0.743(1) 130(3)(3) 4 (3) 丙0.574(2) 120(1)(2

9、) 2(3) 丙0.875(2) 120(2)(3) 4 (1) 甲0.856(2) 120(3)(1) 3(2) 乙0.827(3) 110(1)(3) 4 (2) 乙0.678(3) 110(2)(1) 3(3) 丙0.649(3) 110(3)(2) 2(1) 甲0.66K10.56+0.74+0.570.56+0.87+0.670.56+0.82+0.64 0.56+0.85+0.66K20.87+0.85+0.820.74+0.85+0.640.74+0.87+0.660.74+0.82+0.67K30.67+0.64+0.660.57+0.82+0.660.57+0.85+0.67

10、 0.57+0.87+0.64k11.87/3=0.6232.10/3=0.7002.02/3=0.6732.07/3=0.690k22.54/3=0.8472.23/3=0.7432.27/3=0.757 2.23/3=0.743k31.97/3=0.6572.05/3=0.6832.09/3=0.6972.08/3=0.693極差R2.54-1.87=0.670.180.250.16 根據(jù)極差的大小，確定因素的主次順序 (A) 溫度/ 空列(B) 酯化時間/ h(C) 催化劑種類k10.6230.7000.6730.690k20.8470.7430.757 0.743k30.6570.68

11、30.6970.693極差R0.670.180.250.16極差越大，表示該列因素的數(shù)值在試驗范圍內(nèi)的變化，會導致試驗指標在數(shù)值上有更大的變化，所以極差最大的那一列，就是因素的水平對試驗結(jié)果影響最大的因素，也就是最主要的因素。 如果空白列的極差比其他所有因素的極差還要大，說明因素之間可能存在不可忽略的交互作用。(A) 溫度/ 空列(B) 酯化時間/ h(C) 催化劑種類k10.6230.7000.6730.690k20.8470.7430.757 0.743k30.6570.6830.6970.693極差R0.670.180.250.16根據(jù)因素水平的變化對試驗結(jié)果的平均值的影響，可作出因素效

12、果趨勢圖： 優(yōu)方案的確定優(yōu)方案在試驗范圍內(nèi)，各因素較優(yōu)的水平組合。 優(yōu)方案為A2B2C2，即：反應(yīng)溫度110，酯化時間2h，乙種催化劑 （6）進行驗證試驗，作進一步分析 直觀分析（或極差分析）得到的優(yōu)方案A2B2C2，是通過理論分析得到的，不一定包含在正交表中已做過的9個試驗方案中，實際上真正的優(yōu)方案還需要作進一步的驗證。 優(yōu)方案 的重復試驗與比較 調(diào)整水平以趨勢圖為依據(jù) 2.2.2 多指標正交試驗設(shè)計及其結(jié)果的直觀分析 例2-3 用乙醇溶液提取葛根中有效成分考察三項指標： 提取物得率、總黃酮含量、葛根素含量3個因素：乙醇濃度、液固比、回流次數(shù)各有3個水平，若不考慮因素間的交互作用，如何找出較

13、好的提取工藝條件？多指標試驗設(shè)計及其結(jié)果問題試驗號(A) 濃度/ %(B) 液固比空列(C) 回流次數(shù)提取物得率/%總黃酮含量/%葛根素含量/%1(1) 80(1) 7(1)(1) 16.25.12.12(1) 80(2) 6(2)(2) 27.46.32.53(1) 80(3) 8(3)(3) 37.87.22.64(2) 60(1) 7(2)(3) 38.06.92.45(2) 60(2) 6(3)(1) 17.06.42.56(2) 60(3) 8(1)(2) 28.26.92.57(3) 70(1) 7(3)(2) 27.47.32.88(3) 70(2) 6(1)(3) 38.28.

14、03.19(3) 70(3) 8(2)(1) 16.67.02.2多指標正交試驗的直觀分析方法有兩種：（1）綜合平衡法 （2）綜合評分法（1）綜合平衡法： 對每個指標分別進行單指標的直觀分析，得到每個指標的影響因素主次順序和最佳水平組合，然后根據(jù)理論知識和實際經(jīng)驗，對各指標的分析結(jié)果進行綜合比較和分析，得出較優(yōu)方案。 以上例說明： 每個指標的直觀分析得出因素的主次和優(yōu)方案結(jié)果見表611（書P.89）； 根據(jù)因素水平的變化對每個指標平均值的影響，可作出因素效果趨勢圖：因素效果趨勢圖：C3A2B2或C3A2B3A3C3B3C3A3B2A3B2C3綜合平衡法的原則：（2）綜合評分法不作詳細介紹 根據(jù)

15、各個指標的重要程度，對得出的試驗結(jié)果進行分析，給每一個試驗評出一個分數(shù)，作為總指標，然后根據(jù)這個總指標，利用單指標試驗結(jié)果的直觀分析法作進一步的分析，確定較好的試驗方案。 第一，在確定因素的優(yōu)水平時，應(yīng)首先選取作為主要因素時的優(yōu)水平；第二，按“少數(shù)服從多數(shù)”的原則，選取出現(xiàn)次數(shù)較多的優(yōu)水平；第三，當因素各水平相差不大時，可依據(jù)降低消耗、提高效率的原則選取合適的水平；第四，若各試驗指標的重要程度不同，應(yīng)首先滿足相對重要的指標。2.2.3 有交互作用時的直觀分析l. 交互作用的判別當因素B由B1變到B2時，試驗指標變化趨勢相反，兩條直線明顯相交 兩直線近似相互平行 2 有交互作用的正交試驗設(shè)計及其

16、結(jié)果的直觀分析與無交互作用的區(qū)別：（1）選正交表的區(qū)別將交互作用看成因素（2）表頭設(shè)計不同交互作用占有相應(yīng)的列，不能隨意安排：a.查對應(yīng)的交互作用表（見本書附錄6）與無交互作用的區(qū)別：a.查對應(yīng)的交互作用表（見本書附錄6，P. 208215）b.直接查對應(yīng)正交表的表頭設(shè)計表（見本書附錄6） 與無交互作用的區(qū)別：（3）確定因素主次的區(qū)別排因素主次順序時，應(yīng)該包括交互作用（4）優(yōu)方案確定的區(qū)別要考慮交互作用的影響。有交互作用的正交試驗設(shè)計應(yīng)注意的幾個問題：（1）表頭上第一列最多只能安排一個因素或一個交互作用，不允許出現(xiàn)混雜。當考察的因素和交互作用比較多時，選擇較大的正交表，避免混雜。（2）交互作用應(yīng)依據(jù)專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗來判斷。（3）三水平因素之間的交互作用占兩列，交互作用的分析比較復雜，一般不用直觀分析法，通常都用方差分析法。 （4）在不考慮交互作用而空列較多時，最好仍與有交互作用時一樣，按規(guī)定進行表頭設(shè)計，待試驗結(jié)束后再加以判定。 2.2.4 混合水平的正交試驗設(shè)計及其結(jié)果的直觀分析 主要有兩種方法：一、直接利用混合水平的正交表： 分析計算與等水平的正交試驗基本相同，區(qū)