優(yōu)化試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析-電子科技大學(xué)

試驗設(shè)計方法

課程綜述新產(chǎn)品、新工藝、新材料、新品種及其他科研成果產(chǎn)生流程屢次反復(fù)試驗試驗數(shù)據(jù)分析規(guī)律爭論提高產(chǎn)量提高產(chǎn)品性能降低本錢能耗科研成果產(chǎn)生流程shíyàn試驗?zāi)硞€結(jié)論去驗證方法的操作驗證性試驗和試驗shìyàn試驗未知某個結(jié)論去探究未知方法的探究探究性科研工作的必要手段——試驗1980s美國引進田口方法1920s193519491980s1935“DesignofExperiments”試驗設(shè)計成為應(yīng)用技術(shù)科學(xué)1930~40s英、美、蘇用于工業(yè)1940s末美國Deming傳播SED至日本1949日本GenichiTaguechi(田口玄一)以SED為根底建立“正交試驗設(shè)計”法1952應(yīng)用L27(313)于日本東海電報公司1952~1962應(yīng)用100萬項，1/3成效明顯1955~1970日本借此推行全面質(zhì)量治理1920sFisher用于田間試驗StatisticalExperimentDesign1920sTippett將SED用于棉紡1924~2012試驗設(shè)計方法起源197819701948范福仁《田間試驗之統(tǒng)計與分析》1970.4華羅庚推廣優(yōu)選法、統(tǒng)籌法1978優(yōu)選法用于五糧液獲成功方開泰、王元創(chuàng)立均勻設(shè)計法華羅庚1910~1985方開泰1940~王元1930~我國試驗設(shè)計方法進展試驗設(shè)計方法是一項通用技術(shù)，是當(dāng)代科技和工程技術(shù)人員必需把握的技術(shù)方法。試驗設(shè)計方法是自然科學(xué)爭論方法論領(lǐng)域中的一個成熟分支學(xué)科。讓本科生把握試驗設(shè)計的根本原理，近代最常用的正交試驗設(shè)計方法的原理及其應(yīng)用方法，可以用在以后爭論過程中。課程性質(zhì)與任務(wù)試驗設(shè)計方法是國內(nèi)外很多重點大學(xué)化學(xué)、化工、電子、機械、材料包括治理等類專業(yè)的專業(yè)技術(shù)根底課程。試驗設(shè)計的目的是使要我們用科學(xué)的方法去安排試驗，懂得如何處理得到的試驗結(jié)果，以最少的人力和物力消耗，在最短的時間內(nèi)取得更多、更好的生產(chǎn)和科研成果的技術(shù)方法。課程性質(zhì)與任務(wù)〔1〕試驗：首先要明確試驗的目的和要求；其次是合理選擇試驗考察的指標(biāo)和影響因素〔即因子〕；最終確定試驗中影響因素的具體條件〔即因子的水平〕?！?〕設(shè)計：依據(jù)因子及因子的水平，確定試驗方案；打算試驗的挨次，試驗的方法，測量的點數(shù)以及重復(fù)的次數(shù)等。試驗設(shè)計一般分三個階段：〔3〕分析：對試驗所得到的數(shù)據(jù)進展整理，制成易于計算的表格，建立假設(shè)，計算分析用的各種統(tǒng)計量；確定顯著性水平進展檢驗，得出結(jié)論。概率論與數(shù)理統(tǒng)計什么叫做優(yōu)化試驗設(shè)計方法？把數(shù)學(xué)上優(yōu)化理論、技術(shù)應(yīng)用于試驗設(shè)計中，科學(xué)的安排試驗、處理試驗結(jié)果的方法。承受科學(xué)的方法去安排試驗，處理試驗結(jié)果，以最少的人力和物力消費，在最短的時間內(nèi)取得更多、更好的生產(chǎn)和科研成果的最有效的技術(shù)方法。數(shù)理統(tǒng)計現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析什么叫做優(yōu)化試驗設(shè)計方法優(yōu)化試驗設(shè)計在科學(xué)爭論中的地位與意義：1.試驗設(shè)計方法是一項通用技術(shù)，是當(dāng)代科技和工程技術(shù)人員必需把握的技術(shù)方法。2.科學(xué)地安排試驗，以最少的人力和物力消費，在最短的時間內(nèi)取得更多、更好的生產(chǎn)和科研成果。簡稱為：多、快、好、省。試驗設(shè)計試驗實施數(shù)據(jù)整理數(shù)據(jù)分析試驗爭論如何進展科學(xué)合理的試驗設(shè)計優(yōu)良的試驗方案遵循試驗設(shè)計根本原則，掌握試驗誤差簡潔計算獵取有價值試驗規(guī)律試驗爭論結(jié)果可推廣和重復(fù)如何進展科學(xué)合理的試驗設(shè)計試驗設(shè)計的意義應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的根本學(xué)問，爭論如何合理地安排試驗、取得數(shù)據(jù)，然后進展綜合科學(xué)分析，從而盡快獲得最優(yōu)組合方案。在工程學(xué)領(lǐng)域是改進制造過程性能的特別重要的手段。在開發(fā)新工序中亦有著廣泛的應(yīng)用。在開發(fā)的早期應(yīng)用試驗設(shè)計方法能得出以下成果1.提高產(chǎn)量；2.削減變異性，與額定值或目標(biāo)值更為全都；3.削減開發(fā)時間；4.削減總本錢；試驗設(shè)計效果BECDA因素對指標(biāo)影響規(guī)律因素對指標(biāo)影響大小因素間是否相互影響優(yōu)選最正確條件，估量指標(biāo)值估量和掌握試驗誤差試驗設(shè)計方法可以解決以上5個問題試驗設(shè)計解決的問題問題1：有12個外表全都的小球，其中11個的質(zhì)量都是10克，另一個要重一些(但僅憑手感無法區(qū)分)，給定一個沒有砝碼的天平，請你設(shè)計一個試驗方案，把這個重一點的小球挑出來。什么是試驗設(shè)計？方案一：先把兩個球放到天平兩邊的盤中，假設(shè)不平衡，則較重一邊的小球就是要找的；假設(shè)平衡，就把其中一個球(哪個都行)作為標(biāo)準(zhǔn)，用它稱量其它球，與它不同的就是我們要找的。這種方法在最糟糕的狀況下，可能需要10次稱量才能完成任務(wù)。把12個球平均分成六組，把同組的兩個球分放在天平兩邊，假設(shè)不平衡，則較重一邊的小球就是要找的。這種方法在最糟糕的狀況下，需要稱量6次。方案二：方案三：12個球平均分成3組(每組4個)，先把其中兩組分別放到天平兩邊。假設(shè)平衡，則重一點的球肯定在剩余一組中；假設(shè)不平衡，那么較重一邊的四個球當(dāng)中就肯定有我們要找的那個球?？梢?，只稱量一次，就排解了8個球。下面可以依據(jù)方法(二)中的方法，最多再需兩次就可以完成任務(wù)。這種方法最多只需要稱量3次。 不難看出，試驗是需要設(shè)計的，假設(shè)試驗方案選擇的好，試驗次數(shù)就可以削減。問題2：洗衣服一般分為洗滌和漂洗兩個階段。假設(shè)衣服洗滌并擰干以后還殘留含有污物的水1千克，用20千克清水來漂洗。比較下面四個方法哪一個能洗得更潔凈一些？什么是試驗設(shè)計？方案1：一次漂洗，用20千克水方案2：分兩次漂洗，第一次用5千克水，其次次用15千克水方案3：分兩次漂洗，第一次用15千克水，其次次用5千克水方案4：分兩次漂洗，第一次用10千克水，其次次用10千克水方案1——一次漂洗把衣服一下子放到20千克清水中，連同衣服上那1千克污水，一共21千克水。污物均勻分布在這21千克水里。擰“干”后，衣服上還有1千克水，所以污物殘存量是原來的1／21。常見試驗方案設(shè)計方案2、3——二次漂洗假設(shè)把20千克水分兩次用，比方第一次用5千克，其次次用15千克，同理可得污物殘存量是原來的1／96。方案4——二次漂洗再比方第一次用10千克水，其次次用10千克水，污物殘存量則是原來的1／121方案A——全面實施方案優(yōu)點：是肯定可以找到全部搭配中最優(yōu)的方案。缺點：試驗次數(shù)過多。特殊是在因素數(shù)目較多、水平取的較多的狀況下，即使想這樣做可能也辦不到。常見試驗方案設(shè)計方案B——逐個因素查找法這個方案的優(yōu)點是削減了試驗次數(shù)。不過，這種方法的缺點也是顯而易見的。不肯定能找到最優(yōu)的組合。21一次一因素法變動一個因素,固定其他因素的方法。這種方法常因因素之間存在交互作用,而水平又未固定的適宜搭配關(guān)系,致使試驗需反復(fù)屢次,試驗周期長。磨礦細(xì)度捕收劑用量抑制劑用量活化劑用量調(diào)整劑用量浮選溫度浮選試驗因素浮選濃度攪拌強度攪拌濃度攪拌時間浮選時間考察因素較多的科學(xué)試驗Y=f(x) 試驗是一個或一系列有目的地轉(zhuǎn)變流程或系統(tǒng)的輸入變量以觀看識別輸出應(yīng)變量隨之轉(zhuǎn)變的試驗。DouglasC.Montgomery那些自變量X顯著的影響著Y?這些自變量X取什么值時將會使Y到達(dá)最正確值?試驗噪音輸入變量

(連續(xù))可控輸入變量流程關(guān)鍵流程輸出指標(biāo)噪音輸入變量

(離散)?流程或系統(tǒng)的一般模型確定那些輸入對輸出影響最大(確定關(guān)鍵輸入變量)什么樣的輸入設(shè)置能產(chǎn)生抱負(fù)的輸出結(jié)果怎樣設(shè)置影響最大的輸入水平以削減輸出變量的變化范圍怎樣設(shè)置可控輸入水平使得不能掌握的輸入變量對輸出的影響減到最小找出定義流程的公式(y=f(x))以優(yōu)化流程試驗的目的因子(可控因子,非可控因子)X水平:為了爭論因子對響應(yīng)的影響,需要用到因子的兩個或更多的不同的取值,這些取值稱為因子的水平(level)或設(shè)置(Setting).處理或試驗:依據(jù)設(shè)定因子水平的組合,我們就能進展一次試驗,可以獲得一次響應(yīng)變量的觀測值,也可以稱為一次“試驗”(trial,experimentalrun),也稱為“一次運行”(run).試驗單元(experimentunit):對象,材料或制品等載體,處理(試驗)應(yīng)用其上的最小單位試驗環(huán)境:以或未知的方式影響試驗結(jié)果的四周環(huán)境模型:可控因子(X1,X2,…Xn),響應(yīng)變量(Y),f某個確定的函數(shù)關(guān)系Y=f(X1,X2,X3,…..Xk)+Error(誤差)主效應(yīng):某因子處于不同水尋常響應(yīng)變量的差異交互效應(yīng):假設(shè)因子A的效應(yīng)依靠于因子B所處的水尋常,我們稱A與B之間有交互作用.OFAT法〔One-Factor-At-a-Time)：在各因子的變化范圍每次轉(zhuǎn)變一個因子的水平以選定各因子的最正確水平。試驗設(shè)計中的根本術(shù)語重復(fù)試驗(replication)一個處理施加于多個試驗單元。我們肯定要進展不同單元的重復(fù)(replicate)，而不能僅進展同單元的重復(fù)(repetition):要重做試驗，而不能僅重復(fù)觀測或重復(fù)取樣。隨機化(randomization)：用完全隨機的方式安排各次試驗的挨次和／或所用的試驗單元。防止那些試驗者未知的但可能會對響應(yīng)變量產(chǎn)生的某種系統(tǒng)的影響。劃分區(qū)組(blocking)：依據(jù)某種方式把各個試驗單元區(qū)分成組，每組內(nèi)保證差異較小，使他們具有同質(zhì)齊性(homogeneous)，則我們可以在很大程度上消退由于較大試驗誤差所帶來的分析上的不利影響。假設(shè)分區(qū)組有效，則這種方法在分析時，可以將區(qū)組內(nèi)與區(qū)組間的差異分別出來，這樣就能大大削減可能存在的未知變量的系統(tǒng)影響。能劃分區(qū)組者則劃分區(qū)組，不能劃分區(qū)組者則隨機化。Blockwhatyoucanandrandomizewhatyoucannot試驗設(shè)計的根本原則打一輪高爾夫球的輸出變量是什么?分?jǐn)?shù),越低越好(擊球及推桿數(shù)少)可掌握的輸入變量是什么?球及球桿的類型帶著球桿步行或開車運送玩球時喝掉的啤酒瓶數(shù)不行掌握的輸入變量是什么?擊球的前后全都性天氣–風(fēng),雨,太陽,溫度?設(shè)想打高爾夫球是一個試驗工業(yè)界最常用程序選擇“最正確估量”的因子組合Ping牌球桿,Titleist牌球,開車,四瓶啤酒進展一次試驗(打一輪)輸出結(jié)果與預(yù)期值比較(分?jǐn)?shù):94–不太好)如結(jié)果不抱負(fù),將其中一個因子的水平轉(zhuǎn)變–重新試驗如需要重復(fù)試驗缺點如第一次估量錯誤,需要更屢次試驗–低效率且時間長如第一次估量可以承受,試驗會停頓下來,“最正確”方案可能永久找不到“最正確猜測”法常用于對所爭論流程了解有限的狀況程序選擇一個因子水平的組合作基線在各因子的變化范圍每次轉(zhuǎn)變一個因子的水平選定各因子的最正確水平對啤酒及走或開車的組合:?OFAT法–每次一個因子(One-Factor-At-a-Time)主要缺點OFAT未能考慮交互作用交互作用–在另一個因子的不同水平,一個因子產(chǎn)生的效果不一樣另一個缺點OFAT總是比統(tǒng)計 學(xué)試驗設(shè)計效率差OFAT的缺點處理多個因子的正確