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1、DOE实验设计培训,Pg 2,确认偏差来源:探测性分析,取得突破的蓝图,确认偏差来源:统计性分析,确认偏差来源:方差分析,规划试验设计,分析,筛选关键 输入变量 (DOE),找寻交互作用( DOE),确定 Y=f (X),改进,什麼是試驗設計？,試驗設計是研究作用因素Xs與關鍵質量特性CTQs之間關係的方法論.,Xs,Y=f（x）,Y,在工農業生產和科學試驗中, 試驗是必不可少的. 試驗安排得好, 往往會達到事半功倍的效果. 如何科學地組織試驗, 包括許多環節：選題、確定因數及其水平、設計試驗組合, 等等. 這些環節, 有的是屬於管理科學, 有的是需要數學和統計學的方法來設計試驗方案, 後者稱
2、為統計試驗設計.,DOE的意义1,为什么需要试验设计,1、优化设计的必要性 提高产量； 减少变异性，与额定值或 目标值更为一致； 减少开发时间； 减少总成本；,DOE的意义2,2、实验设计的作用,DOE術語,响应變量Response:试验输出的结果 因子Factor:试验过程中的不同输入变量如温度、时间、粘度等 水平Level:试验中对因子的不同设定值如温度：10度、20度、30度 干扰Noise:人不可控制的事物 主要影响Main Effect:对单个因子而言, 从一个水平到另一个水平的变化对输出的平均影响 交互作用Interaction：两个因子合起来对总输出的影响将高于两个单独的因子造成
3、的影响,Pg 7,重复试验(replication) 一个处理施加于多个试验单元。我们一定要进行不同单元的重复(replicate)，而不能仅进行同单元的重复(repetition):要重做试验，而不能仅重复观测或重复取样。 随机化(randomization)：用完全随机的方式安排各次试验的顺序和或所用的试验单元。防止那些试验者未知的但可能会对响应变量产生的某种系统的影响。 划分区间(blocking)：按照某种方式把各个试验单元区分成组，每组内保证差异较小，使他们具有同质齐性(homogeneous)，则我们可以在很大程度上消除由于较大试验误差所带来的分析上的不利影响。如果分区组有效，则这
4、种方法在分析时，可以将区组内与区组间的差异分离出来，这样就能大大减少可能存在的未知变量的系统影响。,试验设计的基本原则,策略一：篩選主要因子（使X型問題簡化成A型問題） 策略二：找出最佳之生產條件（使A型問題簡化成T型問題） 策略三：證實最佳生產條件有再現性,全因子試驗計劃法,没有交互作用 (平行的状态),Y,X,X,X,有一点交互作用,有很大的交互作用,什么是交互作用,表示2个因子的水平组合上,发生不期待的效果。3次以上的交互作用，技术分析不太容易，因此一般不考虑。,交互作用图,A&B间没有交互作用定义：当有交互作用存在时, 一个因素对回应的影响与其他各标准因素对回应的影响是不同的. A&B
5、互相作用 B的影响随着A的标准而变化. 这里, B对低标准A有负面影响, 对高标准A有正面影响. A&B互相作用 这里, B的影响以与上述相同的方式随着A的标准而变化.,低B,高B,試驗設計的步驟,1.工程選定 2.測定Y設定（盡量為連續型） 3.測定系統分析(MSA) 4.因子X設定 5.因子水平設定（適當的） 6.試驗種類選定 7.試驗計劃設定 8.試驗實施 9.結果分析 10.最終判定 END,1.水平之間太小時會失敗， 太大時也不可 2.設定水平盡量間距相等 3.確認設定的水平能否作業,水平設定,1.在評估因素的影響時它提供 的信息不夠詳細 2.常常得出無法再現的結論 3.需要的數據量
6、很大,Y為離散型,陈述实际问题和实验目的,选择“Y”响应变量,陈述因子和水平,选择DOE,实施实验及收集数据,分析实验结果,结论和计划,通过DOE 想达到什么目的?,Y是什么？计量型？计数型？ 如产出率, 作业时间, 清洁度等,如温度(100,150),重量(20,30,40kg),全因子实验, 田口设计, 响应曲面设计等,收集实验结果的数据,运用软件进行实验数据分析,制定改善方案,DOE的处方,必要时重复实验,陈述问题和实验目的,选择“Y”响应变量,陈述因子和水平,选择DOE,实施实验及收集数据,分析实验结果,结论和计划,首先要明白实验的目的到底要什么？ 把握Vital Few Xs(少数关
7、键X）的影响程度 把握选定的重要X之间的交互作用 建立X和Y的预测模型 决定Y最佳化的X的条件:,DOE处方-1.陈述实际问题和实验目的,选择响应变量“Y”(特性值) 响应变量的定义 - 改善的目的是什么? 目标值(平均)/散布水准(标准偏差) - 响应变量随着时间变吗? 响应变量是否具备正态分布? - 希望能发现出多大的响应变量的变化程度? - MSA（测量分析系统）是否可靠? - 希望得到多个输出响应变量吗? 计数型与计量型数据的比较? 计数型属性数据（合格/不合格率）的有效性不及计量型数据 （连续测量数据）， 这表明需要大量的数据才能得出数据有效的统 计结论。所 以尽量选择计量型数据作为
8、Y,以避免收集大量数据,陈述问题和实验目的,选择“Y”响应变量,陈述因子和水平,选择DOE,实施实验及收集数据,分析实验结果,结论和计划,DOE处方-2.选择“Y”响应变量,陈述问题和实验目的,选择“Y”响应变量,陈述因子和水平,选择DOE,实施实验及收集数据,分析实验结果,结论和计划,DOE处方-3.陈述因子和水平,决定因子 选择“X”因子，尽量为计量型，可以从以下来 ： - 因果图 - 头脑风暴法 - 流程图 - 专家意见 - 供应商输入 - 竞争性分析 - 分析阶段结果 宁缺毋滥！ 处理噪音变量（不可控因子）的方法 - 利用随机化 - 试图把噪音变量维持为常数的方法 - 利用Block化
9、 - 反复实验,陈述问题和实验目的,选择”Y”响应变量,陈述因子和水平,选择DOE,实施实验及收集数据,分析实验结果,结论和计划,决定因子的水平 按因子数及影响的特性选择水平数 - 因子多时,用2水平 - 只有线形影响时,用2水平 - 估计有曲线影响时,用3水平 水平的范围设定: -选择“X” 变量，要有足够的范围以体现差异。 - 不可脱离实现可能性的范围(但可以超出当前 Process的范围)。 - 对计量性数据的输入变量的水平设定,大体上 要考虑当前条件的界限。,DOE处方-3.陈述因子和水平,陈述问题和实验目的,选择“Y” 响应变量,陈述因子和水平,选择DOE,实施实验及收集数据,分析实
10、验结果,结论和计划,考虑实验的目的和预算等选择DOE,DOE处方-4.选择DOE,当设计一个实验时，要考虑如下关键因素 a)实验限制条件 b)实验设计方法 c)噪声变量 d)随机化和分组 e)重复和反复 f)样本容量,实验设计的关键因素(1),DOE处方-4.选择DOE,4a)确定实验限制条件 确定实验可采用方案数与实验次数的限制条件。 实验限制条件可以是时间，金钱，人力资源，物质限制等。 决定你将做多少次实验。 结合你的实验目的，选择最佳实验设计及你可以采用的最多的实验次数。 注意： 1.不要在第一次实验中用完你所有的资源 2.成功的DOE是一个反复的过程，不是一次实验就能完成的！,实验设计
11、的关键因素(2),DOE处方-4.选择DOE,4b)设计实验-确定实验设计方法,筛选实验,6以上,部分因子实验,410,全因子实验,15,田口设计,213,DOE 种类,因子数量,选别重要因子,选别重要因子,因子与Y的关系,寻找因子的 最佳条件组合,目的,区分主效果,主效果和 部分交互作用,所有主效果和 交互作用 (线性效果）,设计或工序 参数优化,作用,低 现在 工序知识 状态 高,响应曲面实验,23,设定因子的 最佳条件,反应变量的 预测模型 (曲线效果）,效果,試驗設計的類別,試驗類別的選擇依據,在選擇試驗時，須至少考慮以下因素： 1.研究目標：即通過試驗希望達到什麼目的，解決什麼問題
12、2.因素和水平數：我們的調查、分析范圍 3.每次的試驗成本,試驗類別,根據不同的因素類，我們可以按以下分類：,試驗設計的類別,試驗類別,噪声变量 噪声变量会影响实验结果，但是我们不能控制它或选择对其不进行控制。此类变量为已知或未知。 范例： -季节因素，温度、湿度 -设备 -操作人员 -原材料,实验设计的关键因素(3),DOE处方-4.选择DOE,通常可以通过分组和随机化来降低噪声变量的影响！,实验设计的关键因素(4),4d)分组（Blocking) 将数据分成类似的几组，以将噪声或潜伏变量的影响降到最小。 实例：在四把枪（A、B、C和D)及四个战士测试枪好不好。,战士1 战士2 战士3 战士
13、4,造成改变的原因是枪还是战士？ 4d)随机化（Randomizing),通过分组方法对枪和战士进行独立测试,减少包括噪声和潜伏变量在内的其他变量的影响。 随机化： -运行顺序 -测量顺序,DOE处方-4.选择DOE,簡單的比較型實驗 兩個均值的檢定 1-和2-樣本t-檢定 配對t-檢定 1-和2-變異檢定 1-和2-比例檢定 單因子實驗: ANOVA檢定 統計的實驗設計 DOE,選擇實驗設計方案,全因子試驗計劃法,隻選擇1個預計對一些特性值有影響的因子，實施試驗的最單純的試驗計劃法。 認為紡紗生產工序上反應溫度影響紡紗產品的強度，因此為了了解按反應溫度的變化， 強度怎樣變化，並且在怎樣水平下
14、給最高的強度而做試驗，反應溫度為因子來取水平 (A1:60, A2:65, A3:70, A4:75),在各溫度下3回，把全體12回試驗按隨機順序來 實施。其結果得到了下列數據，求最佳條件。 按反應溫度(A)變化的強度(單位 : kg/m)的試驗數據據,單因子試驗計劃法,全因子試驗計劃法,One-way ANOVA: A1, A2, A3, A4 Analysis of Variance Source DF SS MS F P Factor 3 1.9788 0.6596 31.19 0.000 Error 8 0.1692 0.0211 Total 11 2.1480 Individual
15、95% CIs For Mean Based on Pooled StDev Level N Mean StDev -+-+-+- A1 3 8.3600 0.0800 (-*-) A2 3 8.7000 0.1819 (-*-) A3 3 9.4800 0.1852 (-*-) A4 3 8.8600 0.1039 (-*-) -+-+-+- Pooled StDev = 0.1454 8.50 9.00 9.50,單因子試驗計劃法,STAT-ANOVA-ONE WAY (unstacked),实施实验及收集数据 确保进行实验前应设计好数据记录表。 以保证在设计好的表格内记录所有数据。 在实验进行过程中应一直在场，因为你无法预料会发生什么 样的情况！准备数据收集计划. 保留实验样本将会对你有所帮助，如果某一测量值出现问题， 你可以重新测量该样本。 训练数据收集者. 有必要可以示范运营. 实施实验并收集数据.,陈述问题和实验目的,选择“Y”响应变量,陈述因子和水平,选择DOE,实施实验及收集数据,分析实验结果,结论和计划,DOE处方-5.实施实验及收集数据,陈述问题和实验目的,选择“Y”响应变量,陈述因子和水平,选择DO
