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(kāi)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(guò)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(guò)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(wèn)題正確地運(yùn)用。學(xué)好本課程，為將來(lái)從事各專業(yè)科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域道路橋梁

工業(yè)產(chǎn)品（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）（二）實(shí)驗(yàn)過(guò)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(wèn)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(guò)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）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(wàn)中《試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析》，高等教育出版社第二章實(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(wèn)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(guò)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(guò)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，效果大大提高，與不經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)相比，情況大不相同。廣義上說(shuō)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定測(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。1．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展過(guò)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(yǔ)。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(kāi)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(tīng)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(jiàn)，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。2．實(shí)輸驗(yàn)設(shè)掀計(jì)的郊基本浮宗旨①最大坑限度類地提芽高實(shí)視驗(yàn)效率②最脂大限說(shuō)度地躺提高字實(shí)驗(yàn)精度3．實(shí)繡驗(yàn)設(shè)南計(jì)基哪本要佛素①指標(biāo)——用來(lái)艇衡量祖試驗(yàn)霜效果尚好壞漿的特斑征值廢。②因素——對(duì)實(shí)簽驗(yàn)指動(dòng)標(biāo)有擔(dān)影響印的原歐因或底要素歌。③水平——因素形在實(shí)站驗(yàn)中筑所處猴的不適同狀避態(tài)，奮可辨能引野起指攀標(biāo)的增變化嘩。1）指蜜標(biāo)——用來(lái)瓜衡量密試驗(yàn)古效果婚好壞脈的特晌征值①指標(biāo)個(gè)分類件：a)定量指標(biāo)榜（數(shù)播量指使標(biāo)，釘如強(qiáng)狠度、佳重量爸、產(chǎn)墓量、泰合格澤率、孫成活原率、圾廢品習(xí)率、搏轉(zhuǎn)化胃率等盡。）b)定性指標(biāo)擾（固非數(shù)舌量指藍(lán)標(biāo)，泉如顏狹色、磁味道嚇、光亮澤等橋）②指睬標(biāo)的百選擇暗要求產(chǎn)：選擇客觀光性強(qiáng)的指沖標(biāo)，饒選擇易于既量化即經(jīng)宰過(guò)儀膜器測(cè)揭量而呢獲得梁的指灶標(biāo)；溝選擇靈敏研度高的指撿標(biāo)，年選擇精確市性強(qiáng)的參鬼數(shù)作義為指疫標(biāo)。2）因蘋(píng)素——對(duì)實(shí)兩驗(yàn)指揭標(biāo)有舒影響截的原墳因或宇要素因素仔也稱伴為因車(chē)子，情它是浴在進(jìn)配行實(shí)綢驗(yàn)時(shí)尾重點(diǎn)挖考察羞的內(nèi)墻容。因素什一般途用大泉寫(xiě)字嚇母AB申C……來(lái)標(biāo)怕記，既如因抵素A、因吵素B、因郊素C等。①因甲素分孫類：a)可控因素躲（溫農(nóng)度、聰時(shí)間弓、種憶類、逆濃度……）b)不可思控因素風(fēng)（風(fēng)念速、內(nèi)氣溫扛、……）②選擇霉因素皺的原丹則a）抓男住主饞要因夾素（注將影吉響較住大的瓶因素億選入筐試驗(yàn)挨）同鋪時(shí)要惡考慮往因素豪之間凱的交燙互作呈用。b）找旁出非虜主要蕉因素邊，并準(zhǔn)使其艱在實(shí)觀驗(yàn)中蕉保持態(tài)不變奴，以冶消除恢其干即擾作撇用。3）水平——因素訂在實(shí)域驗(yàn)中勺所處殲的不思同狀踏態(tài)選擇雜水平援的原責(zé)則：①水努平宜趨取三烏水平棕為宜②水陵平應(yīng)沫是等雞間隔燈的原勵(lì)則③水倦平是乒具體旬的④水節(jié)平的途選擇姐必須越在技欄術(shù)上脾現(xiàn)實(shí)及可行勢(shì)。舉例例1：某薯化工丹工程侄師欲左研究類化學(xué)棉反應(yīng)盡溫度恩（60網(wǎng)℃、70云℃、80豪℃）、每反應(yīng)扶時(shí)間祥（1h、1.料5h、2h）、縣催化丟劑用籠量（2k殃g、2.蝴5k僵g、3k副g）對(duì)受產(chǎn)品躁產(chǎn)量?。ㄖ父銟?biāo)）燒的影爽響，叨根據(jù)君找出僅的規(guī)嘗律，且確立航最佳硬生產(chǎn)屠條件尸。例2：考腳察3種不葬同類鉆型的胞電路卻對(duì)某主種自憤動(dòng)開(kāi)斗關(guān)的閉響應(yīng)月時(shí)間腦（ms）的柱影響指標(biāo)起：響高應(yīng)時(shí)句間聰因效素：帳電路諸類型水平負(fù)：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ舉隊(duì)例例3：研抵究紙才漿中慨木材金濃度虹的分興率、倚容器鍬的壓筍強(qiáng)、兇煮漿葡時(shí)間凳對(duì)紙歇張強(qiáng)淚度的壘影響軍。指標(biāo)：紙兼張強(qiáng)呢度因素京及水諒平：紙漿磚中木鳥(niǎo)材濃預(yù)度的悔分率(%躁)番2、4、8容器示的壓描強(qiáng)(k銅Pa恒)陣40科0、50村0、65副0煮漿現(xiàn)時(shí)間(h憂)他3、4舉乓例例4：直廚接過(guò)薦濾實(shí)屢驗(yàn)中妙，欲枯考察懷混凝胞劑硫小酸鋁即投量墊，助肝劑聚拔丙烯巴酰胺廈投量沙，濾想速對(duì)添過(guò)濾拍周期端平均談出水嚼濁度蝴的影卵響。實(shí)驗(yàn)指標(biāo)：過(guò)奏濾周滅期平洗均出建水濁苦度因素之及水惱平：混凝棵劑投貞量（mg宅/L）（10、12、1）助凝返劑投作量（mg銷(xiāo)/L）（0.毀08、0.母15、0.私30）濾如速售（m/匪h）穗（8、10、12）4．實(shí)鹽驗(yàn)設(shè)男計(jì)方統(tǒng)法針對(duì)厘不同收的具悉體情秀況，較有不北同的汗實(shí)驗(yàn)稿設(shè)計(jì)案方法軌。單因吩素試怒驗(yàn)設(shè)顆計(jì)雙因宅素試急驗(yàn)設(shè)燈計(jì)正交駝實(shí)驗(yàn)劫設(shè)計(jì)各種鵝試驗(yàn)滴方法千的目巾的、構(gòu)出發(fā)澇點(diǎn)各婆不相仔同。5．實(shí)會(huì)驗(yàn)方呢案設(shè)擴(kuò)計(jì)的頭步驟①明確濾實(shí)驗(yàn)刺目的膽，確捕定實(shí)薯驗(yàn)指掘標(biāo)。②挑氏選因格素，誘選取惠水平餅。③選捎定實(shí)午驗(yàn)設(shè)悅計(jì)方侍法。④實(shí)鎮(zhèn)驗(yàn)點(diǎn)葵安排相。6．強(qiáng)壩烈推敢薦掌規(guī)握的幾類藝實(shí)驗(yàn)以方案招設(shè)計(jì)1)熱f廢ac潑to砍ri室al紅d輕es輩ig摸n排(F半D)2)施c咱en蓋tr