试验设计方法电子教案.ppt
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1、上一内容下一内容回主目录O返回2022-5-19 试验设计方法电子教案第一章本章主要内容本章主要内容 多因素试验问题、正交试验、正交表符号的意义。多因素试验问题、正交试验、正交表符号的意义。 因素、水平、自由度、试验指标、交互作用。均衡分散因素、水平、自由度、试验指标、交互作用。均衡分散性、整齐可比性、自由度选表原则、表头设计。性、整齐可比性、自由度选表原则、表头设计。 正交表的特点、用正交表安排试验及结果分析。正交试正交表的特点、用正交表安排试验及结果分析。正交试验的步骤。验的步骤。 上一内容下一内容回主目录O返回1-1问题的提出多因素的试验问题 对于单因素或两因素试验,因其因素对于单因素或
2、两因素试验,因其因素少少 ,试验的设计,试验的设计 、实施与分析都比较简单、实施与分析都比较简单 。但在实际工作中但在实际工作中 ,常常需要同时考察,常常需要同时考察 3个或个或3个以上的试验因素个以上的试验因素 ,若进行全面试验,若进行全面试验 ,则,则试验的规模将很大试验的规模将很大 ,往往因试验条件的限,往往因试验条件的限制而难于实施制而难于实施 。正交试验设计就是安排多。正交试验设计就是安排多因素试验因素试验 、寻求最优水平组合、寻求最优水平组合 的一种高效的一种高效率试验设计方法。率试验设计方法。上一内容下一内容回主目录O返回 例例11 为提高某化工产品的转化率,选择了三个为提高某化
3、工产品的转化率,选择了三个有关的因素进行条件试验,反应温度(有关的因素进行条件试验,反应温度(A),),反应反应时间(时间(B),),用碱量(用碱量(C),),并确定了它们的试验并确定了它们的试验范围:范围: A:80-90 B:90-150Min C:5-7% 试验目的是搞清楚因素试验目的是搞清楚因素A、B、C对转化率的影响,对转化率的影响,哪些是主要因素,哪些是次要因素,从而确定最哪些是主要因素,哪些是次要因素,从而确定最优生产条件,即温度、时间及用碱量各为多少才优生产条件,即温度、时间及用碱量各为多少才能使转化率提高。试制定试验方案。能使转化率提高。试制定试验方案。上一内容下一内容回主目
4、录O返回 这里,对因素这里,对因素A、B、C在试验范围内分在试验范围内分别选取三个水平别选取三个水平 A:A180、A285、A390 B:B190Min、B2120Min、B3150Min C:C15%、C26%、C37% 正交试验设计中,因素可以定量的,也正交试验设计中,因素可以定量的,也可以使定性的。而定量因素各水平间的可以使定性的。而定量因素各水平间的距离可以相等也可以不等。距离可以相等也可以不等。上一内容下一内容回主目录O返回 取三因素三水平,通常有两种试验方法:取三因素三水平,通常有两种试验方法: (1)全面实验法:)全面实验法:A1B1C1 A2B1C1 A3B1C1A1B1C2
5、 A2B1C2A3B1C2A1B1C3 A2B1C3 A3B1C3A1B2C1 A2B2C1 A3B2C1A1B2C2 A2B2C2A3B2C2A1B2C3 A2B2C3A3B2C3A1B3C1 A2B3C1A3B3C1A1B3C2 A2B3C2 A3B3C2A1B3C3 A2B3C3A3B3C3 共有共有3=27次试验,如图所示,立方体包含了次试验,如图所示,立方体包含了27个节点,分别表示个节点,分别表示27次试验。次试验。A1 A2 A3B3B2B1C1C2C3上一内容下一内容回主目录O返回 全面试验法的优缺点:全面试验法的优缺点: 优点:对各因素于试验指标之间的关系剖析得比较清楚优点:
6、对各因素于试验指标之间的关系剖析得比较清楚 缺点:缺点:(1)试验次数太多,费时、费事,当因素水平比较多时,试验次数太多,费时、费事,当因素水平比较多时,试验无法完成。试验无法完成。 (2) 不做重复试验无法估计误差。不做重复试验无法估计误差。 (3)无法区分因素的主次。无法区分因素的主次。 例如选六个因素,每个因素选五个水平时,全面试验的数目例如选六个因素,每个因素选五个水平时,全面试验的数目是是56 15625次。次。 又如绪言里所提到的又如绪言里所提到的,1978年,七机部由于导弹设计的要求,年,七机部由于导弹设计的要求,提出了一个五因素的试验,希望每个因素的水平数要多于提出了一个五因素
7、的试验,希望每个因素的水平数要多于10,此时靠全面试验法是无法完成的。此时靠全面试验法是无法完成的。上一内容下一内容回主目录O返回 (2)简单比较法简单比较法 变化一个因素而固定其它因素,如首先固定变化一个因素而固定其它因素,如首先固定B、C于于B1、C1,使,使A变化之,则:变化之,则: 如果得出结果如果得出结果A3最好,则固定最好,则固定A于于A3,C还是还是C1,使,使B变变化,则:化,则: 得出结果得出结果B2最好,则固定最好,则固定B于于B2,A于于A2,使,使C变化,则:变化,则: 试验结果以试验结果以C3最好。于是得出最佳工艺条件为最好。于是得出最佳工艺条件为A3B2C2。 A1
8、B1C1 A2 A3(好结果) B1A3C1 B2(好结果) B3 C1A3B2 C2 (好结果) C3上一内容下一内容回主目录O返回A1 A2 A3B3B2B1C1C2C3简单比较法的试验点上一内容下一内容回主目录O返回简单比较法的优缺点: 优点优点:试验次数少:试验次数少 缺点缺点: (1)试验点不具代表性。考察的因素水平仅)试验点不具代表性。考察的因素水平仅局限于局部区域,不能全面地反映因素的全面情局限于局部区域,不能全面地反映因素的全面情况。况。 (2)无法分清因素的主次。)无法分清因素的主次。 (3)如果不进行重复试验,试验误差就估计)如果不进行重复试验,试验误差就估计不出来,因此无
9、法确定最佳分析条件的精度。不出来,因此无法确定最佳分析条件的精度。 (4)无法利用数理统计方法对试验结果进行)无法利用数理统计方法对试验结果进行分析,提出展望好条件。分析,提出展望好条件。上一内容下一内容回主目录O返回 正交试验的提出:正交试验的提出: 考虑兼顾全面试验法和简单比较法的优点,考虑兼顾全面试验法和简单比较法的优点,利用根据数学原理制作好的规格化表利用根据数学原理制作好的规格化表正正交表来设计试验不失为一种上策。交表来设计试验不失为一种上策。 用正交表来安排试验及分析试验结果,这种用正交表来安排试验及分析试验结果,这种方法叫做正交试验法。方法叫做正交试验法。 事实上,正交最优化方法
10、的优点不仅表现在事实上,正交最优化方法的优点不仅表现在试验的设计上,更表现在对试验结果的处理试验的设计上,更表现在对试验结果的处理上。上。上一内容下一内容回主目录O返回 正交试验法优点:正交试验法优点: (1)试验点代表性强,试验次数少。)试验点代表性强,试验次数少。 (2)不需做重复试验,就可以估计试验误差。)不需做重复试验,就可以估计试验误差。 (3)可以分清因素的主次。)可以分清因素的主次。 (4)可以使用数理统计的方法处理试验结果,)可以使用数理统计的方法处理试验结果,提出展望好条件。提出展望好条件。 正交试验(表)法的特点:正交试验(表)法的特点: (1)均衡分散性代表性。)均衡分散
11、性代表性。 (2)整齐可比性可以用数理统计方法对试)整齐可比性可以用数理统计方法对试验结果进行处理。验结果进行处理。上一内容下一内容回主目录O返回 用正交表安排试验时,对于例用正交表安排试验时,对于例11:A1 A2 A3B3B2B1C1C2C3123654789用正交试验法安排试验只需要用正交试验法安排试验只需要9次试验次试验上一内容下一内容回主目录O返回1-2用正交表安排试验 一、指标、因素和水平一、指标、因素和水平 试验需要考虑的结果称为试验指标(简称指标)试验需要考虑的结果称为试验指标(简称指标) 可以直接用数量表示的叫定量指标;可以直接用数量表示的叫定量指标; 不能用数量表示的叫定性
12、指标。定性指标可以按不能用数量表示的叫定性指标。定性指标可以按评定结果打分或者评出等级,可以用数量表示,评定结果打分或者评出等级,可以用数量表示,称为定性指标的定量化称为定性指标的定量化 试验中要考虑的对试验指标可能有影响的变量简试验中要考虑的对试验指标可能有影响的变量简称为因素,用大写字母称为因素,用大写字母A、B、C表示表示 每个因素可能出的状态称为因素的水平(简称水每个因素可能出的状态称为因素的水平(简称水平)平)上一内容下一内容回主目录O返回 二、正交表符号的意义二、正交表符号的意义L8(27)正交表的代号正交表的横行数字码数(因素的水平数)正交表的纵列数(最多允许安排因素的个数)上一
13、内容下一内容回主目录O返回 三、正交表的正交性三、正交表的正交性(以(以L9 (34 )为例)为例)上一内容下一内容回主目录O返回 四、用正交表安排试验四、用正交表安排试验(以例(以例1-1为例)为例)(1)明确试验目的,确定试验指标 例11中,试验目的是搞清楚A、B、C对转化率的影响,试验指标为转化率(2)确定因素水平表(3)选用合适正交表 本试验可选取正交表L9 (34 ) 安排试验因素水平A温度()B时间(Min)C用碱量(x%)123808590901201505%6%7%因素水平ABC123A1A2A3B1B2B3C1C2C3上一内容下一内容回主目录O返回 (4)确定试验方案)确定试
14、验方案 “因素顺序上列,水平对号入座,横着做因素顺序上列,水平对号入座,横着做” 上一内容下一内容回主目录O返回1-3正交试验结果分析极差分析法 以例以例11为例为例 分析内容:分析内容:3个因素中,哪些因素对收益率影响大,个因素中,哪些因素对收益率影响大,哪些因素影响小;哪些因素影响小;如果某个因素对试验数据影响大,那么如果某个因素对试验数据影响大,那么它去哪个水平对提高收益率有利。它去哪个水平对提高收益率有利。 利用正交表的利用正交表的“整齐可比整齐可比”性进行分析:性进行分析:上一内容下一内容回主目录O返回 对于因素对于因素A上一内容下一内容回主目录O返回 从表中从表中可以看出,可以看出
15、,A1、A2、A3各自所在的那组试验中,其各自所在的那组试验中,其它因素(它因素(B、C、D)的)的1、2、3水平都分别出现了一次。水平都分别出现了一次。 计算方法如下:计算方法如下: K1A = x1 + x2 + x3 = 31+54+38=123 k1A = K1A/3=123/3=41 K2A = x4 + x5+ x6 =53+49+42=144 k2A = K2A/3=144/3=48 K3A = x7 + x8+ x9 = 57+62+64=183 k3A = K3A/3=183/3=61我们比较K1A、 K2A、K3A 时,可以认为B、C、D对K1A、 K2A、K3A 的影响是
16、大体相同的。于是,可以把K1A、 K2A、K3A 之间的差异看作是A取了三个不同水平引起的。正交设计的整齐可比性上一内容下一内容回主目录O返回 对于因素对于因素B上一内容下一内容回主目录O返回 同理可以算出:同理可以算出: K1B = x1 + x2 + x3 = 31+53+57=141 k1B = K1B/3=141/3=47 K2B = x4 + x5+ x6 =54+49+62=165 k2B = K2B/3=165/3=55 K3B = x7 + x8+ x9 = 38+42+64=144 k3B = K3B/3=183/3=48 我们比较我们比较K1B、 K2B、K3B 时,可以认
17、为时,可以认为A、C、D对对K1B、 K2B、K3B 的的影响是大体相同的。于是,可以把影响是大体相同的。于是,可以把K1B、 K2B、K3B 之间的差异看作是之间的差异看作是B取了三个不同水平引起的。取了三个不同水平引起的。 对于对于C与此同理。与此同理。上一内容下一内容回主目录O返回(1)确定因素的主次)确定因素的主次 将每列的将每列的 k1 、 k2 、k3 中最大值于最小值之差称为极差中最大值于最小值之差称为极差 即:第一列(即:第一列(A因素)因素) k3A k1A614120 第二列(第二列(B因素)因素) k2B k1B55478 第三列(第三列(C因素)因素) k2C k1C5
18、74512 影响大,就是该因素的不同水平对应的平均收益率之间影响大,就是该因素的不同水平对应的平均收益率之间的差异大的差异大 直观看出:一个因素对试验结果影响大,就是主要因素直观看出:一个因素对试验结果影响大,就是主要因素 本例中:因素主次为本例中:因素主次为A C B主 次上一内容下一内容回主目录O返回上一内容下一内容回主目录O返回 表格示意如下表格示意如下: 指标越大越好,应该选取指标最大的水平。从上表可以看指标越大越好,应该选取指标最大的水平。从上表可以看出,出,本试验应该选取每个因素中本试验应该选取每个因素中k1、k2、k3最大的哪个水平。最大的哪个水平。即:即: A3B2C2 上一内
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