DOE培训资料(共200张).pptx
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1、1Measure Phase Measure System Analysis1Improve Phase Design of Experiment试验设计试验设计Design of Experiment2Measure Phase Measure System Analysis2Improve Phase Design of Experiment模块目标模块目标1 试验设计基本概念介绍( DOE 培训一)2 单因子试验设计及在实际中的应用3 全因子试验设计及在实际中的应用(DOE 培训一)4 部分实施因子试验简介5 响应曲面设计及在实际中的应6 稳健参数设计试验简介3Measure Phase
2、 Measure System Analysis3Improve Phase Design of Experiment课程目标课程目标 人类在认识自然界的过程中,持续地进行着多方面的探索。试验是构成学习过程的一个要素。 试验的统计设计方法开始形成在上世纪20年代。在这之前,科技工作者在试验中走了不少弯路。 通过本课程的学习,使学员能理解试验设计的理论并能在实际的工作中运用以解决实际的工程问题。4Measure Phase Measure System Analysis4Improve Phase Design of Experiment试验设计基本概念介绍 试验设计术语解释 试验设计的基本原则
3、 试验设计的类型 试验设计的基本步骤5Measure Phase Measure System Analysis5Improve Phase Design of Experiment什么是试验设计?什么是试验设计?就是研究如何以最有效的方式安排试验以获得含有最大信息量的数据就是研究如何以最有效的方式安排试验以获得含有最大信息量的数据试验设计示例简介:合成氨纯度试验:在提高合成氨纯度(%)的工艺研究中,发现有3个因子?因子?很重要,他们是因子A-温度;因子B-压力;因子C-反应时间。对每个因子都设定了高低两个水平?水平?。我们希望考察这3个因子中,那些因子效应?因子效应?及交互效应?交互效应?是
4、显著的。其具体取值如下:A因子:-温度,低水平460度,高水平500度B因子:-压力,低水平250大气压,高水平270大气压C因子:-时间,低水平20分钟,高水平30分钟试验设计基本概念介绍6Measure Phase Measure System Analysis6Improve Phase Design of Experiment试验设计术语解释?试验设计术语解释?- 因子 factors- 水平 levels- 主效应 main effects和交互效应 interaction effects- 模型 Model- 误差 error试验设计基本概念介绍7Measure Phase Mea
5、sure System Analysis7Improve Phase Design of Experiment- 因子因子 factors可控因子和非可控因子过程x1x2x3u1u2u3y1y2y3过程的模型响应变量response非可控因子(噪声因子)Uncontrolled factor/noise factor因子factor试验设计基本概念介绍8Measure Phase Measure System Analysis8Improve Phase Design of Experiment可控因子:可控因子:能影响响应变量且在试验总可以加以控制的因子,称为可控因子。可以是连续型的也可以是
6、离散型的。非可控因子:非可控因子:影响过程及结果且能记录但不可控制的因子,称为非可控因子。通常包括环境状况,操作员,材料批次等等。可以是连续型的,也可以是离散的。通常我们把它们当做误差来处理。 响应变量响应变量我们关心的输出变量,常称为响应变量或指标。在试验设计中,只考虑单个响应变量的情况。试验设计基本概念介绍9Measure Phase Measure System Analysis9Improve Phase Design of Experiment- 水平水平(level)为了研究因子对响应变量的影响,需要用到因子的两个或更多个不同的取值,这些取值称为因子的水平.试验设计基本概念介绍10
7、Measure Phase Measure System Analysis10Improve Phase Design of Experiment- 主效应主效应 main effects和交互效应和交互效应 interaction effects例题:AlowAhighBhigh130170Blow100120在农田试验中:A为灌溉(水少,水多)B为施肥(肥少,肥多)Y为产量图中可以看见优化的方向AB试验设计基本概念介绍交互效应?当一项因子对响应项的作用取决于另一因子的水平或设定时,我们说这两个因子存在交互效应。 11Measure Phase Measure System Analysis
8、11Improve Phase Design of Experiment- 主效应主效应 main effects和交互效应和交互效应 interaction effects130100120170A-A+B-B+A的主效应=avg(A+)-avg(A-)=+30B的主效应=avg(B+)-avg(B-)=+40AB的交互效应=avg((A+B+)+(A-B-)-avg(A+B-) +(A-B+))=+10试验设计基本概念介绍12Measure Phase Measure System Analysis12Improve Phase Design of Experiment- 主效应主效应 m
9、ain effects和交互效应和交互效应 interaction effectsABABy1-+1002+-1203-+-1304+170M-230220250M+290300270Mean-115110125Mean+145150135effect304010试验设计基本概念介绍13Measure Phase Measure System Analysis13Improve Phase Design of Experiment- 模型模型 ModelY=f(X1,X2,.,Xk)+误差表达响应变量与可控因子变量之间关系的公式- 误差误差 error试验误差 experimental err
10、or:非可控因子(或噪声)造成的,还包含测量误差。失拟误差 lack of fit:我们所采用的模型函数f与真实函数间的差异。试验设计基本概念介绍14Measure Phase Measure System Analysis14Improve Phase Design of Experiment试验设计的基本原则试验设计的基本原则- 重复试验 (replication)- 随机化 (randomization)- 划分区组 (blocking)试验设计基本概念介绍15Measure Phase Measure System Analysis15Improve Phase Design of E
11、xperiment- 重复试验重复试验 (replication)重复试验是指对一项试验组合进行不止一次的试验。也就是除正常试验次数外在相同输入因子水平组合下独立安排一次和多次试验(注意不是同一次试验下的重复测量)正常方法:全部试验安排皆重复1次或2次。代替方法:部分试验安排重复1次或2次,只在特定点处重复1次或2次,在中心点进行重复3或4次。我们在试验中一定要包含真正的重复。我们在试验中一定要包含真正的重复。做重复试验的原因:做重复试验的原因:显著性检验都是将不同试验间形成的差别与随机误差相比较。而重复试验就是为了得到随机误差。试验设计的基本原则试验设计的基本原则试验设计基本概念介绍16Me
12、asure Phase Measure System Analysis16Improve Phase Design of Experiment- 随机化随机化 (randomization)试验设计的基本原则试验设计的基本原则 随机化是按随机的排序作试验,而不是依照试验设计的标准排序进行试验。 防止那些试验者未知的但可能会对响应变量产生某种系统的影响。 随机化并没有减少试验误差本身,但随机化可以防止未知的但可能会对响应变量产生的某种系统的影响的出现。如何做到随机化?如何做到随机化?随机化可以通过随机数据表或计算机随机数产生器完成。1)设有标准序(std order)及运行序(run order
13、)两列,初始值为自然序。2)在运行序(run order)内形成随机数列3)将计划表中所有数据按运行序(run order)的顺序由小到大排好。4)实施试验时,按运行序(run order)的编号顺序执行之。试验设计基本概念介绍17Measure Phase Measure System Analysis17Improve Phase Design of Experiment试验设计的类型?试验设计的类型?根据试验的目的,可以分为4大类:1、因子设计(Factorial Design)2、回归设计(Regression Design)3、稳健参数设计(Robust Parameter Desi
14、gn)4、混料设计(Mixture Design)试验设计基本概念介绍18Measure Phase Measure System Analysis18Improve Phase Design of Experiment1、因子设计(Factorial Design)试验设计的类型?试验设计的类型?目的:筛选因子 分析因子及交互效应。方法:全因子试验,部分实施因子试验2、回归设计(Regression Design)目的:找出Y对于X的回归方程,求出最优值。方法:响应曲面方法3、稳健参数设计(Robust Parameter Design) 目的:找出对环境条件及元器件变异不敏感的参数设置 方
15、法:田口(Taguchi)设计信噪比及内外表分析法4、混料设计(Mixture Design) 目的:比率的总和为100%的配方问题 方法:带约束条件的响应曲面设计方法试验设计基本概念介绍19Measure Phase Measure System Analysis19Improve Phase Design of Experiment试验设计的基本步骤试验设计的基本步骤1、计划阶段 阐述目标 选择响应变量、因子及其水平 选择试验计划 完成试验计划表 2、实施阶段 3、分析阶段:分析解释试验结果试验设计基本概念介绍20Measure Phase Measure System Analysis2
16、0Improve Phase Design of Experiment1、计划阶段、计划阶段第一步:阐述目标第一步:阐述目标即问题陈述和试验目标的确定。包括:概述持续改善的总目标及本阶段的具体目标 收集有效的背景信息 总结与本问题有关领域的使用数据试验设计基本概念介绍21Measure Phase Measure System Analysis21Improve Phase Design of Experiment第二步:确定因子及水平第二步:确定因子及水平 回顾试验目标 定义响应变量和范围 定义要研究的因子、范围和水平。因子确定宁多勿缺。 因子的可行范围;因子的物理约束水平 以前的知识和经验
17、分析因子和响应之间的关系 确定所选因子的水平 变化范围不要过窄(效应不明显),不要过宽(规律性变差) 考虑因子的交互作用,物理上不会有交互作用的可以去除。确定资源限制,包括时间,成本,材料,人员,仪器和设施。确定是否有已知的讨厌变量影响试验。考虑与试验有关的人为因素 试验设计基本概念介绍22Measure Phase Measure System Analysis22Improve Phase Design of Experiment第三步:选择试验计划第三步:选择试验计划筛选因子筛选因子:一般选用2水平正交设计因子个数较多 部分实施的因子设计5m210m5208 m因子个数中等全因子设计因子
18、个数特多,试验费用昂贵Plackett-Burman设计试验设计基本概念介绍23Measure Phase Measure System Analysis23Improve Phase Design of Experiment回归设计:相应曲面设计因子个数很少(2-4个)找出二阶回归方程,并希望求出最优值(通常为最大或最小)及其设置稳健参数设计:一般选用田口(Taguchi)设计目标为响应变量有望目特性因子个数不多(2到10个)对于误差因子的分析要求很细致因子水平可能为2或3试验设计基本概念介绍24Measure Phase Measure System Analysis24Improve P
19、hase Design of Experiment第四步第四步:完成试验计划表完成试验计划表因子水平有代码换为实际数值.顺序已经随机化,且已经按照Run order的顺序牌好.最后一列留做记录响应变量值使用.准备试验记录格式要全面:时间,地点.操作员姓名,非可控因子的状况,一切非正常的状况.试验设计基本概念介绍25Measure Phase Measure System Analysis25Improve Phase Design of Experiment2、实施试验计划、实施试验计划制定数据收集草案,包括谁做,干什么,在哪,何时,如何做?确定方法并获得必须的材料和设备做试验,确保按计划进行
20、,不得随意改变原计划.记录尽可能多的信息,包括非受控但可以测量的因子.记录非正常事件备查.试验设计基本概念介绍26Measure Phase Measure System Analysis26Improve Phase Design of Experiment3.分析解释分析解释拟合选定的模型残差诊断对选定的模型进行分析解释进行验证试验进行下批试验模型要改进吗?目标是否已经达到?YYNY试验设计基本概念介绍27Measure Phase Measure System Analysis27Improve Phase Design of Experiment二、单因子试验设计及在实际中的应用二、单
21、因子试验设计及在实际中的应用28Measure Phase Measure System Analysis28Improve Phase Design of Experiment单因子试验设计及在实际中的应用单因子试验设计及在实际中的应用单因子试验的目的: 一是想比较一个因子的几个不同设置间是否有显著差异,如果有显著差异,那个或哪些设置较好 二是建立响应变量与自变量间的回归关系(通常是线性、二次或三次多项式)假设检验回归分析29Measure Phase Measure System Analysis29Improve Phase Design of Experiment单因子试验设计及在实际
22、中的应用单因子试验设计及在实际中的应用假设检验假设检验30Measure Phase Measure System Analysis30Improve Phase Design of Experiment假设检验 Hypothesis Testing1 假设检验背景知识介绍假设检验背景知识介绍2 假设检验假设检验-均值均值 (X为为 离散数据,离散数据,Y为连续数据)为连续数据)2.1 单样本检验 One-Sample z test、 One Sample t-test2.2 双样本t检验 Two-Sample t-test 、 Paired data2.3 方差分析 ANOVA one wa
23、y3 假设检验假设检验-比例比例 (X为离散数据,为离散数据,Y为离散数据)为离散数据)3.1 1 proportion3.2 2 proportion 3.3 Chi-Square Test31Measure Phase Measure System Analysis31Improve Phase Design of Experiment假设检验 Hypothesis Testing1 假设检验背景知识介绍假设检验背景知识介绍目的:目的: 假设检验就是检查你的X是否对Y有(统计上的)显著影响。 介绍两种方法来评估样本:置信区间(Confidence Intervals)和 p 值(p-val
24、ues)Minitab 的练习32Measure Phase Measure System Analysis32Improve Phase Design of Experiment 假设检验 Hypothesis Testing 总体和样本总体和样本 Populations and Samples样本总体统计估计 样本是总体的子集 通常我们没有总体的数据,因为要获得所有的数据很难或者代价很高.样本的特性:统计量总体的特性:参数33Measure Phase Measure System Analysis33Improve Phase Design of Experiment 假设检验 Hypo
25、thesis Testing总体总体 全部对象全部对象举例:2003年5月在精密铸造车间生产的所有一级涡轮叶片。参数描述总体特性的真值 ,总体的参数通常难以得到总体的参数通常难以得到34Measure Phase Measure System Analysis34Improve Phase Design of Experiment假设检验 Hypothesis Testing样本样本-sample是总体的一部分或子集。统计量-statistic是描述样本特性的数值 ,S。特定的样本有其特定的统计值,但是样本之间会不同特定的样本有其特定的统计值,但是样本之间会不同样本统计值xs=样本A=样本B=
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