试验设计基础及常用方法.ppt

关于试验设计基础及常关于试验设计基础及常用方法用方法现在学习的是第1页，共58页第一节第一节 试验设计概述试验设计概述现在学习的是第2页，共58页一、试验设计的意义和任务一、试验设计的意义和任务试验设计：广义理解是指试验研究课题设试验设计：广义理解是指试验研究课题设计，也就是整个试验计划的拟定。狭义计，也就是整个试验计划的拟定。狭义理解是指试验单位的选取、重复数的确理解是指试验单位的选取、重复数的确定及试验单位的分组。定及试验单位的分组。试验设计的任务是在研究工作进行之前，试验设计的任务是在研究工作进行之前，根据研究项目的需要，应用数理统计原根据研究项目的需要，应用数理统计原理，结合专业知识和实践经验，经济、理，结合专业知识和实践经验，经济、科学、合理地安排试验，以利多、快、科学、合理地安排试验，以利多、快、好、省地完成试验工作。好、省地完成试验工作。现在学习的是第3页，共58页二、试验设计有关基本概念二、试验设计有关基本概念试验指标：试验指标：指在试验中，根据研究目的指在试验中，根据研究目的而选定的用来衡量或考核试验处理效而选定的用来衡量或考核试验处理效果的质量特性或观测项目。果的质量特性或观测项目。试验指标可分为定量指标和定性指标。试验指标可分为定量指标和定性指标。每个试验至少有一个指标，通常试验中每个试验至少有一个指标，通常试验中不止一个指标。不止一个指标。现在学习的是第4页，共58页试试验验因因素素(子子)：指指在在影影响响试试验验指指标标的的若若干干因因素素中中，被被当当着着主主要要的的研研究究问问题题，而而让让其其取取不不同同状状态态或或数数量量等等级级的的那那个个（些些）因因素素。简简称因素（子）。称因素（子）。水水平平：指指试试验验因因素素所所取取的的不不同同状状态态或或数数量量等等级。有质量水平和数量水平之分。级。有质量水平和数量水平之分。现在学习的是第5页，共58页例如，影响酱油质量的因素有：例如，影响酱油质量的因素有：原料、曲种、发酵时间、发酵温度、制曲方原料、曲种、发酵时间、发酵温度、制曲方式、发酵工艺式、发酵工艺因素因素水平水平水平数水平数研究曲种问题研究曲种问题曲种曲种a、b、c3研究方式问题研究方式问题方式方式甲、乙甲、乙2研究温度问题研究温度问题温度温度25、35、453现在学习的是第6页，共58页注：试验因素以外的其它因素叫做注：试验因素以外的其它因素叫做非处非处理因素理因素或或非处理条件非处理条件（条件因素或试（条件因素或试验条件）验条件）。水平组合水平组合*：指同一试验中各因素不同水指同一试验中各因素不同水平组合在一起而构成的技术措施。平组合在一起而构成的技术措施。现在学习的是第7页，共58页例例1，曲种，曲种发酵时间试验发酵时间试验因素水平表因素水平表水平组合数水平组合数6=32因素因素水平水平曲种曲种A、B、C发酵时间发酵时间长、短长、短A A长长短短B B长长短短C C长长短短现在学习的是第8页，共58页例例2，曲种，曲种时间时间工艺工艺因素水平表因素水平表水平组合数水平组合数18=332因素因素水平水平曲种曲种A、B、C发酵时间发酵时间长、短长、短发酵工艺发酵工艺、A长长短短B长长短短C长长短短现在学习的是第9页，共58页 注：注：因素、水平、水平组合是因素、水平、水平组合是三个密切联系的概念。三个密切联系的概念。1 1、凡一个因素就有若干个水平，因素与、凡一个因素就有若干个水平，因素与水平是联系在一起的。水平是联系在一起的。2 2、水平组合是针对多因素试验而言的；、水平组合是针对多因素试验而言的；一个水平组合是每个因素各出一个水平构成。一个水平组合是每个因素各出一个水平构成。3 3、一个多因素试验的所有不同的水平、一个多因素试验的所有不同的水平组合数是各因素水平数之积。组合数是各因素水平数之积。现在学习的是第10页，共58页试试验验处处理理：指指事事先先设设计计好好的的实实施施在在试试验验单单位位上的一种具体技术措施或项目。上的一种具体技术措施或项目。单因素试验：一个水平为一个处理。单因素试验：一个水平为一个处理。多因素试验：一个水平组合为一个处理。多因素试验：一个水平组合为一个处理。试试验验单单位位：在在试试验验中中安安排排一一个个处处理理的的最最基基本本单位，也称试验单元。单位，也称试验单元。现在学习的是第11页，共58页试试验验方方案案（狭狭义义）：指指同同一一试试验验中中所所有有不不同同处处理的总称。可分为理的总称。可分为试试验验方方案案单因素试验方案单因素试验方案所有水平所有水平复因素复因素试验方案试验方案完全方案完全方案不完全方案不完全方案部分水平组合部分水平组合所有水平组合所有水平组合又分：又分：设计方法确定的不完全方案；设计方法确定的不完全方案；综合性试验方案：综合性试验方案：根据经验，根据经验，将几个对生产影响较大的因将几个对生产影响较大的因 素结合在一起，制定出几种素结合在一起，制定出几种 成套的综合技术措施成套的综合技术措施(水平组水平组 合合)相互进行比较试验，以鉴相互进行比较试验，以鉴 定出较好的综合技术措施。定出较好的综合技术措施。例如，酱油酿造中，针对原料、曲种、例如，酱油酿造中，针对原料、曲种、发酵时间、发酵温度、制曲方式这发酵时间、发酵温度、制曲方式这5个个因素制定出因素制定出3套综合技术措施，与传统套综合技术措施，与传统生产措施进行比较试验生产措施进行比较试验现在学习的是第12页，共58页效应效应*：指不同处理使得试验指标产生指不同处理使得试验指标产生的变化。可分为简单效应、主效、交的变化。可分为简单效应、主效、交互效应等几种。不同试验可得不同的互效应等几种。不同试验可得不同的效应。效应。现在学习的是第13页，共58页单因素试验：单因素试验：例如，施例如，施N量试验：量试验：简单效应：简单效应：一个因素内不同水平引起试验指标一个因素内不同水平引起试验指标发生的改变。常用因素内不同水平指标值之发生的改变。常用因素内不同水平指标值之差表示。差表示。本例用本例用700500200表示。表示。因素因素施施N量（量（kg/亩）亩）水平水平2030产量指标（产量指标（kg/亩）亩）500700现在学习的是第14页，共58页多因素试验：多因素试验：例如，两种肥料试验例如，两种肥料试验假设结果如下：假设结果如下：因因素素水水平平（用量）（用量）水平组合水平组合（处理）（处理）指标：指标：产量（产量（kg）N肥肥n1n2n1p1n1p2目的：目的：选取最佳选取最佳水平组合水平组合P肥肥p1p2n2p1n2p2现在学习的是第15页，共58页试试验验号号因因素素N最佳水最佳水平组合平组合P水平水平n1n2平均平均n2n1p110016060（简（简n）p218024060（简（简n）平均平均p2p180（简（简p）80（简（简p）Pp110016060（简（简n）p2180140-40（简（简n）平均平均p2p180（简（简p）-20（简简p）60(主主n)80（主（主p）10（主（主n）30（主（主p）（互）（互）-50（互）（互）n2p2n1p2现在学习的是第16页，共58页主主效效：一一个个因因素素内内各各简简单单效效应应的的平平均均值值，它反映一个因素的综合效应。它反映一个因素的综合效应。例如，试验例如，试验中，中，主效主效N 主效主效P 试验试验中，中，主效主效N 主效主效P 现在学习的是第17页，共58页交交互互效效应应（互互作作、连连应应）：指指因因素素之之间间相相互互影影响响、相相互互作作用用引引起起试试验验指指标标发发生生的的变变化化。用用同一因素各简单效应平均差值表示同一因素各简单效应平均差值表示例如，试验例如，试验中，中，互作互作试验试验中，中，互作互作AB、BC一级互作一级互作ABC二级互作二级互作余类推。余类推。现在学习的是第18页，共58页第二节第二节 试验方案的确定试验方案的确定做什么做什么怎么做怎么做现在学习的是第19页，共58页一、试验因素的确定一、试验因素的确定、试试验验因因素素应应是是当当前前生生产产、科科研研或或科科技技发展急需解决的问题。发展急需解决的问题。、因素的个数要视试验的目的和条件而定。、因素的个数要视试验的目的和条件而定。因素数因素数 水平数水平数 处理数处理数2 2 2 2 4 42 22 23 2 83 2 82 23 3 现在学习的是第20页，共58页、应应从从实实际际出出发发，选选择择较较优优秀秀的的技技术术作作水水平平，且水平数目要适当。且水平数目要适当。、每每个个因因素素都都应应有有一一个个作作为为比比较较标标准准的的水水平平（对对照照水水平平，如如空空白白对对照照、标标准准对对照照、试试验验对对照、互为对照、自身对照等）。照、互为对照、自身对照等）。、遵循、遵循唯一差原则唯一差原则。、同一因素各水平之间的差距要明显。、同一因素各水平之间的差距要明显。二、水平的确定二、水平的确定指除要研究的个别因指除要研究的个别因素外素外,其它因素都应控其它因素都应控制在一定水平下制在一定水平下(即试即试验的非处理条件要保验的非处理条件要保持一致持一致)现在学习的是第21页，共58页第三节第三节 试验误差的试验误差的来源与控制来源与控制现在学习的是第22页，共58页试验误差：试验误差：指试验的非处理条件不一致造指试验的非处理条件不一致造成的处理观察值与其真值的偏差成的处理观察值与其真值的偏差。观察值观察值处理真值处理真值偏差偏差(试验误差试验误差)一、试验误差的概念一、试验误差的概念现在学习的是第23页，共58页 统计分析中的误差是指统计分析中的误差是指偶然误差偶然误差。试试验验误误差差系系统统（片片面面）误误差差：指指试试验验的的非非处处理理条条件件明明显显不不一一致致造造成成的的处处理理观观察察值与其真值向着某个方向的偏差。值与其真值向着某个方向的偏差。特点：可控不可估特点：可控不可估偶偶然然（随随机机）误误差差：指指严严格格控控制制试试验验非非处处理理条条件件相相对对一一致致后后，仍仍不不能能消消除除的的由由偶偶然然因因素素造造成成的的各各处处理理观观察值与其真值的偏差。察值与其真值的偏差。特点：可估不可控特点：可估不可控现在学习的是第24页，共58页试验的正确性由试验的准确性和精试验的正确性由试验的准确性和精确性决定。确性决定。准确性（度）：准确性（度）：指观测值与其理论真值指观测值与其理论真值间的符合程度。间的符合程度。精确性（度）：精确性（度）：指观测值相互之间的符合指观测值相互之间的符合程度。程度。通常系统误差决定试验的准确性，随通常系统误差决定试验的准确性，随机误差决定试验的精确性。机误差决定试验的精确性。现在学习的是第25页，共58页二、试验误差的来源二、试验误差的来源1、试验材料、试验材料2、测试方法、测试方法3、仪器设备及试剂、仪器设备及试剂4、试验环境条件、试验环境条件5、试验操作、试验操作现在学习的是第26页，共58页三、试验误差的控制途径三、试验误差的控制途径1、疏忽误差的控制、疏忽误差的控制2、系统误差的控制、系统误差的控制3、随机误差的控制、随机误差的控制现在学习的是第27页，共58页第四节第四节 试验设计的试验设计的基本原则基本原则现在学习的是第28页，共58页一、设置重复一、设置重复、概念：、概念：重复指试验中每个处理被安排重复指试验中每个处理被安排了两次或两次以上；了两次或两次以上；重复次数重复次数指同名试验单指同名试验单位出现的次数；一般统计上把一个试验中包位出现的次数；一般统计上把一个试验中包含所有不同处理的单位总称为含所有不同处理的单位总称为一个重复一个重复，常，常用用、表示。表示。例如，无重复例如，无重复 重复二次重复二次 重复三次重复三次A B C B A B A C B A C B现在学习的是第29页，共58页、作用：、作用：估计误差估计误差 降低误差降低误差现在学习的是第30页，共58页二、随机排列二、随机排列、概念：、概念：指一个重复中各处理都能够不受指一个重复中各处理都能够不受人的主观意志支配地，有相同的机会被安排人的主观意志支配地，有相同的机会被安排在任一个试验单位中。在任一个试验单位中。例如，处理试验例如，处理试验、作用：、作用：保证获得无偏的效应估计。保证获得无偏的效应估计。、随机方法：、随机方法：抽签法、计算机法。抽签法、计算机法。264153现在学习的是第31页，共58页三、局部控制三、局部控制、概概念念：指指按按重重复复分分组组来来控控制制试试验验非非处处理理条条件件，使使其其对对各各处处理理的的影影响响趋趋于于最最大大程程度的一致。度的一致。例如，例如，5 5 处理处理 4 4 次重复的试验次重复的试验、作用、作用：有效地降低试验误差。有效地降低试验误差。区组区组区组区组区组区组区组区组现在学习的是第32页，共58页四、三项基本原则的关系四、三项基本原则的关系在试验中三原则最好同时尊循。在试验中三原则最好同时尊循。重复重复随机排列随机排列局部控制局部控制无偏无偏估计误差估计误差降低误差降低误差现在学习的是第33页，共58页第五节第五节 两种常用试验设两种常用试验设计方法计方法现在学习的是第34页，共58页试验设计方法试验设计方法:试验单位的分组和试验处试验单位的分组和试验处理的安排方法理的安排方法意义意义:1.试验实施的蓝图试验实施的蓝图2.关系到试验精度高低关系到试验精度高低3.关系到试验实施中的操作方式方法关系到试验实施中的操作方式方法4.关系到试验资料的分析方法关系到试验资料的分析方法现在学习的是第35页，共58页一、完全随机设计一、完全随机设计设计要点：设计要点：1、把所有试验单位编上序号，并按处理、把所有试验单位编上序号，并按处理数数k将其随机分为将其随机分为k组；每组含有组；每组含有ni 个供试个供试单位，各组的单位，各组的ni 可等可不等。可等可不等。2、按组随机给予不同处理。、按组随机给予不同处理。现在学习的是第36页，共58页试验具体安排方法：试验具体安排方法：1、试验单位同时存在、试验单位同时存在(决定试验单位的空间决定试验单位的空间顺序顺序)的情况的情况例例1，例例9-2在食品安全研究试验中，欲了解在食品安全研究试验中，欲了解试验动物每天经口摄入不同剂量的铅后对健试验动物每天经口摄入不同剂量的铅后对健康状况的影响，现将康状况的影响，现将40只日龄相同、体重只日龄相同、体重一致的健康雄性大鼠随机分成一致的健康雄性大鼠随机分成A1、A2、A3、A44个组，每组个组，每组10只大鼠，实施试验。试只大鼠，实施试验。试用完全随机法设计试验。用完全随机法设计试验。现在学习的是第37页，共58页已知：处理数已知：处理数k4，试验单位数，试验单位数40步骤：步骤：对试验单位依次编号对试验单位依次编号140将试验单位随机分为将试验单位随机分为4组组将将4个处理随机分配给个处理随机分配给4组组现在学习的是第38页，共58页一组一组23 10 35 14 38 21315 32 26二组二组816 40128931 22436三组三组24712 17 34 30 29 27 33 18四组四组211 37 13525619 39 20A2A3A4A1现在学习的是第39页，共58页2、试验单位按时间顺序进行、试验单位按时间顺序进行(决定试验单位决定试验单位的时间顺序的时间顺序)的情况的情况例例2，例例9-3在无酒精啤酒的研究中，为了解在无酒精啤酒的研究中，为了解麦芽汁的浓度对发酵液中双乙酸生成量的影麦芽汁的浓度对发酵液中双乙酸生成量的影响，在发酵温度响，在发酵温度7，非糖比非糖比0.3，二氧化碳，二氧化碳压力压力0.6kg/cm2，发酵时间，发酵时间6d的试验条件下，的试验条件下，选定麦芽汁浓度（选定麦芽汁浓度（%）为）为6（A1）、）、10（A2）、）、12（A3）3个水平，每个水平重复个水平，每个水平重复5次，进次，进行完全随机化试验，以寻找适宜的麦芽汁行完全随机化试验，以寻找适宜的麦芽汁浓度。浓度。现在学习的是第40页，共58页已知：处理数已知：处理数k3，试验重复数，试验重复数n5试验单位数试验单位数15步骤：步骤：在在15张小纸条上依次编号张小纸条上依次编号115将将15个纸团随机分为个纸团随机分为3组，并编组组，并编组号号将将3个处理随机分配给个处理随机分配给3组组现在学习的是第41页，共58页一组一组8151310二组二组14122611三组三组394715A3A1A2本试验顺序为：本试验顺序为：A2、A1、A3、A3、A2、A1A2、A1、A3现在学习的是第42页，共58页完全随机设计应用于多因素试验时，完全随机设计应用于多因素试验时，方法与单因素试验相同，只是每一方法与单因素试验相同，只是每一处理是一个水平组合。处理是一个水平组合。现在学习的是第43页，共58页优优点点：方方法法简简单单、灵灵活活，试试验验操操作作方方便便，统计分析方法简单。统计分析方法简单。缺点：缺点：违反了局部控制原则。违反了局部控制原则。本本法法适适用用于于环环境境条条件件差差异异不不大大、规规模较小模较小的室内试验。的室内试验。现在学习的是第44页，共58页 1.1.每每一一重重复复为为一一个个区区组组，同同一一区区组组内内各处理随机排列；各处理随机排列；2.2.不同区组的随机排列独立进行；不同区组的随机排列独立进行；3.3.同同一一区区组组内内各各小小区区间间非非处处理理条条件件应应一一致，区组间允许有差异。致，区组间允许有差异。二、随机区组设计二、随机区组设计现在学习的是第45页，共58页例例4，例例9-5红碎茶加工中的通气发酵试红碎茶加工中的通气发酵试验，发酵时间验，发酵时间A有有5个水平（个水平（k5）：）：A1（30）、）、A2（50）、）、A3（70）、）、A4（90）、）、A5（120），），设设4次重复。试验目的是次重复。试验目的是从各处理中找出适宜的发酵时间。本试验中从各处理中找出适宜的发酵时间。本试验中多数非处理条件都能被控制为相对一致，只多数非处理条件都能被控制为相对一致，只是用来揉切茶叶的是用来揉切茶叶的4台转子机是不同型号的。台转子机是不同型号的。因此采用随机区组法来安排本试验。因此采用随机区组法来安排本试验。现在学习的是第46页，共58页本试验本试验5处理，处理，4次重复的试验，用随机区组次重复的试验，用随机区组设计如下设计如下：为各台转子机编号为各台转子机编号、，每，每台转子机安排一个区组；每台转子机安排一个区组；每25kg揉碎叶揉碎叶为一试验单位为一试验单位随机确定每台转子机（区组）的各处理随机确定每台转子机（区组）的各处理顺序顺序现在学习的是第47页，共58页单因素随机区组试验设计方案单因素随机区组试验设计方案A2A5A1A4A3转子机转子机(区组区组)各区组试验单位序号各区组试验单位序号A1A3A5A2A4A5A4A3A1A2A3A2A4A5A1现在学习的是第48页，共58页随机区组设计应用于多因素试验时，方随机区组设计应用于多因素试验时，方法与单因素试验相同，只是每一处理法与单因素试验相同，只是每一处理是一个水平组合。见是一个水平组合。见例例9-6现在学习的是第49页，共58页随机区组设计的优点：随机区组设计的优点：1、符合试验设计的三项基本原则，试验精确度、符合试验设计的三项基本原则，试验精确度较高较高2、设计方法机动灵活、设计方法机动灵活3、试验实施中的试验控制较易、试验实施中的试验控制较易4、试验的韧性较好、试验的韧性较好5、试验结果的统计分析简单易行、试验结果的统计分析简单易行缺点：缺点：1、只能估计区组间的差异，而不能分析出区、只能估计区组间的差异，而不能分析出区组内的非处理条件差异组内的非处理条件差异2、同一区组的处理数不能太多，一般、同一区组的处理数不能太多，一般15现在学习的是第50页，共58页第六节第六节 常用抽样方法简介常用抽样方法简介现在学习的是第51页，共58页一、随机抽样一、随机抽样、简单随机抽样：、简单随机抽样：编号；编号；随机抽样随机抽样例如，例如，1000n30此法的特点是抽样方法简单，常用于范围较小此法的特点是抽样方法简单，常用于范围较小且均匀的总体中抽样。且均匀的总体中抽样。现在学习的是第52页，共58页、分层抽样：、分层抽样：根据变异分层；根据变异分层；在各层编在各层编号并随机抽样。号并随机抽样。例如，例如，n30此法的特点是样本均匀，有代表性。常用于变此法的特点是样本均匀，有代表性。常用于变异较大的总体中抽样。异较大的总体中抽样。高产高产30%n强强9中产中产60%n中中18低产低产10%n弱弱3现在学习的是第53页，共58页、整群（群组）抽样：、整群（群组）抽样：分群；分群；编群号；编群号；随机抽群随机抽群例如，例如，N=10000N群群=10n=100n群群=10此法特点是节省工作量，常用于范围较大、样此法特点是节省工作量，常用于范围较大、样本容量较大的总体抽样。本容量较大的总体抽样。现在学习的是第54页，共58页4、多级抽样、多级抽样此法主要运用于大范围抽样调查。此法主要运用于大范围抽样调查。调调查查某某市市粮粮食食产产量量区县区县1区县区县2区县区县3乡镇乡镇1乡镇乡镇2乡镇乡镇3产粮户产粮户2产粮户产粮户1产粮户产粮户3现在学习的是第55页，共58页二、顺序抽样又叫系统抽样或机械抽样。又叫系统抽样或机械抽样。方法：方法：顺序编号；顺序编号；定间隔定间隔N/n；从第一间隔随机定一编号；从第一间隔随机定一编号；按间隔按间隔依次顺序抽样依次顺序抽样此法简便易行，适用于个体分布均匀的此法简便易行，适用于个体分布均匀的总体。总体。现在学习的是第56页，共58页 对布局固定的总体，常见样点方式：对布局固定的总体，常见样点方式：1、对角线式、对角线式2、棋盘式棋盘式3、平行线式、平行线式4、五点式、五点式5、Z字形式字形式 现在学习的是第57页，共58页感谢大家观看现在学习的是第58页，共58页