實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日

第一章概論一、《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》課程的目的、意義任何自然科學(xué)都離不開實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)學(xué)科（化工、化學(xué)、輕工、材料、環(huán)境、醫(yī)藥、熱工等）中的概念、原理和規(guī)律大多由實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)和論證的。如最佳的配方、工藝條件，產(chǎn)品性能的優(yōu)化，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量作出評(píng)價(jià)等?！皩?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”課程是以概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)、專業(yè)技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)、科學(xué)地安排試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，最終達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)周期、迅速找到優(yōu)化方案的一種科學(xué)計(jì)算方法。它主要應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過程中的科學(xué)試驗(yàn)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、質(zhì)量管理和科學(xué)研究的重要工具和方法。通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生掌握試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基本原理，并能針對(duì)實(shí)際問題正確地運(yùn)用。學(xué)好本課程，為將來從事各專業(yè)科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日農(nóng)業(yè)領(lǐng)域第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日道路第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日橋梁第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日

工業(yè)產(chǎn)品第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日（一）實(shí)驗(yàn)的分類驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：對(duì)已知的理論進(jìn)行驗(yàn)證，以加深對(duì)理論的認(rèn)識(shí)探索性實(shí)驗(yàn)：為了揭示尚未完全認(rèn)識(shí)的事物，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律，以完成工程與科研任務(wù)，具有很強(qiáng)的探索性（工程中經(jīng)常碰到）第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日（二）實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備→實(shí)驗(yàn)→實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理1．實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備①提出問題，弄清實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)②設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）③擬訂實(shí)驗(yàn)大綱④實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試儀器的準(zhǔn)備2．實(shí)驗(yàn)（1）測(cè)試（2）記錄3．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理通過一定的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，去偽存真，提煉出我們需要的信息，以發(fā)現(xiàn)事物的規(guī)律。4．提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或科研報(bào)告第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日二、主要內(nèi)容1．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)①單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（均分法，對(duì)分法，0.618法，分?jǐn)?shù)法）②雙因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)③多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）2．?dāng)?shù)據(jù)處理①實(shí)驗(yàn)誤差分析②實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理③實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（直觀分析法、方差分析、回歸分析）第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日參考文獻(xiàn)

①鄭少華、姜奉華《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》，中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004年3月第1版，51.727/Z429（適合材料科學(xué)與工程、化工、機(jī)械、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等專業(yè)）②方萍、何延《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)》，浙江大學(xué)出版社，2003年6月第1版（適合環(huán)境與資源相關(guān)專業(yè)、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、醫(yī)學(xué)）③[美]DouglasC.Montgomery著《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析》中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，1998年6月第1版（電工等專業(yè)）④楊德《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析》，中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社⑤王萬中《試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析》，高等教育出版社第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日第二章實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)第一節(jié)概論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——是指為節(jié)省人力、財(cái)力、迅速找到最佳條件，揭示事物內(nèi)在規(guī)律，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中不同問題，在實(shí)驗(yàn)前利用數(shù)學(xué)原理科學(xué)編排實(shí)驗(yàn)的過程。以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，為獲得可靠試驗(yàn)結(jié)果和有用信息，科學(xué)安排試驗(yàn)的一種方法論，亦是研究如何高效而經(jīng)濟(jì)地獲取所需要的數(shù)據(jù)與信息的方法。正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅節(jié)省人力，物力和時(shí)間，并且是得到可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要保證。即經(jīng)過設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，效果大大提高，與不經(jīng)過設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)相比，情況大不相同。廣義上說，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模_定測(cè)定參數(shù)，確定需要控制或改變的條件，選擇實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試儀器，確定實(shí)測(cè)精度要求，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理步驟等。第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日1．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展過程

20世紀(jì)初：英國(guó)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)家費(fèi)歇爾（1890-1962）首次提出了“試驗(yàn)設(shè)計(jì)”術(shù)語。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法最早應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、遺傳學(xué)方面。在農(nóng)業(yè)方面主要是進(jìn)行品種對(duì)比、施肥對(duì)比等。

20世紀(jì)40年代，英美兩國(guó)開始在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，如改變?cè)吓浔然蚬に嚿a(chǎn)條件，尋找最佳工況。50、60年代：日本田口玄—博士創(chuàng)造了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。日本電訊研究所研制的“線形彈簧繼電器”，使電話機(jī)收聽效果大為改進(jìn)，為日本電訊事業(yè)的發(fā)展起到了不可估量的作用。50年代：我國(guó)中科院數(shù)學(xué)研究所在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)、理論和方法上有了新的創(chuàng)見，編制了一套較為適用的正交表，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)程序和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方法。目前，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日2．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本宗旨

①最大限度地提高實(shí)驗(yàn)效率②最大限度地提高實(shí)驗(yàn)精度

第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日3．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本要素①指標(biāo)——

用來衡量試驗(yàn)效果好壞的特征值。②因素——

對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有影響的原因或要素。③水平——

因素在實(shí)驗(yàn)中所處的不同狀態(tài)，可能引起指標(biāo)的變化。第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日1）指標(biāo)——用來衡量試驗(yàn)效果好壞的特征值①指標(biāo)分類：a)定量指標(biāo)（數(shù)量指標(biāo)，如強(qiáng)度、重量、產(chǎn)量、合格率、成活率、廢品率、轉(zhuǎn)化率等。）b)定性指標(biāo)（非數(shù)量指標(biāo)，如顏色、味道、光澤等）②指標(biāo)的選擇要求：選擇客觀性強(qiáng)的指標(biāo)，選擇易于量化即經(jīng)過儀器測(cè)量而獲得的指標(biāo)；選擇靈敏度高的指標(biāo)，選擇精確性強(qiáng)的參數(shù)作為指標(biāo)。第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日2）因素——對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有影響的原因或要素因素也稱為因子，它是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)考察的內(nèi)容。因素一般用大寫字母ABC……來標(biāo)記，如因素A、因素B、因素C等。①因素分類：

a)可控因素（溫度、時(shí)間、種類、濃度……）

b)不可控因素（風(fēng)速、氣溫、……）第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日②選擇因素的原則

a）抓住主要因素（將影響較大的因素選入試驗(yàn)）同時(shí)要考慮因素之間的交互作用。b）找出非主要因素，并使其在實(shí)驗(yàn)中保持不變，以消除其干擾作用。

第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日3）水平——因素在實(shí)驗(yàn)中所處的不同狀態(tài)

選擇水平的原則：①水平宜取三水平為宜②水平應(yīng)是等間隔的原則③水平是具體的

④水平的選擇必須在技術(shù)上現(xiàn)實(shí)可行。第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日舉例例1：某化工工程師欲研究化學(xué)反應(yīng)溫度（60℃、70℃、80℃）、反應(yīng)時(shí)間（1h、1.5h、2h）、催化劑用量（2kg、2.5kg、3kg）對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量（指標(biāo)）的影響，根據(jù)找出的規(guī)律，確立最佳生產(chǎn)條件。例2：考察3種不同類型的電路對(duì)某種自動(dòng)開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間（ms）的影響指標(biāo)：響應(yīng)時(shí)間因素：電路類型水平：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日舉例例3：研究紙漿中木材濃度的分率、容器的壓強(qiáng)、煮漿時(shí)間對(duì)紙張強(qiáng)度的影響。

指標(biāo)：紙張強(qiáng)度

因素及水平：紙漿中木材濃度的分率(%)2、4、8

容器的壓強(qiáng)(kPa)400、500、650

煮漿時(shí)間(h)3、4第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日舉例例4：直接過濾實(shí)驗(yàn)中，欲考察混凝劑硫酸鋁投量，助劑聚丙烯酰胺投量，濾速對(duì)過濾周期平均出水濁度的影響。實(shí)驗(yàn)指標(biāo)：過濾周期平均出水濁度

因素及水平：混凝劑投量（mg/L）（10、12、1）助凝劑投量（mg/L）（0.08、0.15、0.30）濾速（m/h）（8、10、12）第二十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日4．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

針對(duì)不同的具體情況，有不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)各種試驗(yàn)方法的目的、出發(fā)點(diǎn)各不相同。第二十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日5．實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的步驟①明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。②挑選因素，選取水平。③選定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。④實(shí)驗(yàn)點(diǎn)安排。第