北京科技大学-质量控制与管理幻灯片第4章-正交试验设计

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1、第4章 正交试验设计,列号,水平,试验号,1,2,3,4,4.1 概述,适合多因素试验 全面试验 : 每个因素的每个水平都相互搭配进行试验 例:3因素4水平的全面试验次数43=64次 正交试验设计(orthogonal design) : 利用正交表科学地安排与分析多因素试验的方法 例:3因素4水平的正交试验次数:16,4.1.1 正交表(orthogonal table),(1)等水平正交表: 各因素水平数相等的正交表 记号 :Ln( r m ) L正交表代号 n正交表横行数(试验次数) r因素水平数 m正交表纵列数(最多能安排的因数个数),等水平正交表特点,表中任一列,不同的数字出现的次数

2、相同 表中任意两列,各种同行数字对(或称水平搭配)出现的次数相同 两性质合称为“正交性” :使试验点在试验范围内排列整齐、规律,也使试验点在试验范围内散布均匀,(2)混合水平正交表,各因素的水平数不完全相同的正交表,混合水平正交表性质: (1)表中任一列,不同数字出现次数相同 (2)每两列,同行两个数字组成的各种不同的水平搭配出现的次数是相同的,但不同的两列间所组成的水平搭配种类及出现次数是不完全相同,4.2.1 单指标正交试验设计及其结果的直观分析,例: 单指标:乳化能力 因素水平:3因素3水平(假定因素间无交互作用),4.2 正交试验设计结果的直观分析法,(1)选正交表,要求: 因素数正交

3、表列数 因素水平数与正交表对应的水平数一致 选较小的表 选L9(34),(2)表头设计,将试验因素安排到所选正交表相应的列中 因不考虑因素间的交互作用,一个因素占有一列(可以随机排列) 空白列(空列):最好留有至少一个空白列,(3)明确试验方案,(4)按规定的方案做试验,得出试验结果,注意 : 按照规定的方案完成每一号试验 试验次序可随机决定 试验条件要严格控制,(5)计算极差,确定因素的主次顺序,三个符号: Ki:表示任一列上水平号为 i 时,所对应的试验结果之和。 ki :ki= Ki/s,其中s为任一列上各水平出现的次数 R(极差):在任一列上 R=maxK1 ,K2 ,K3minK1

4、,K2 ,K3, 或 R=maxk1 ,k2 ,k3mink1 ,k2 ,k3,R越大,因素越重要 若空列R较大,可能原因: 漏掉某重要因素 因素之间可能存在不可忽略的交互作用,(6)优方案的确定,优方案:在所做的试验范围内,各因素较优的水平组合 若指标越大越好 ,应选取使指标大的水平 若指标越小越好,应选取使指标小的水平 还应考虑:降低消耗、提高效率等,(7)进行验证试验,作进一步的分析,优方案往往不包含在正交实验方案中,应验证 优方案是在给定的因素和水平的条件下得到的,若不限定给定的水平,有可能得到更好的试验方案 对所选的因素和水平进行适当的调整,以找到新的更优方案 趋势图,正交试验设计的

5、基本步骤:,(1) 明确试验目的,确定评价指标 (2) 挑选因素(包括交互作用),确定水平 (3) 选正交表,进行表头设计 (4) 明确试验方案,进行试验,得到结果 (5) 对试验结果进行统计分析 (6) 进行验证试验,作进一步分析,4.2.2 有交互作用的正交试验设计,(1)交互作用的判断 设有两个因素A和B ,各取两水平 在每个组合水平上做试验,根据试验结果判断,(2)有交互作用的正交试验设计及其结果的直观分析,例: 3因素2水平 交互作用:AB、AC 指标:吸光度 ,越大越好,选表,应将交互作用看成因素 按5因素2水平选表:L8(27) 表头设计 交互作用应该占有相应的列交互作用列 交互

6、作用列是不能随意安排 表头设计两种方法: 查交互作用表 查表头设计表,明确试验方案、进行试验、得到试验结果,计算极差、确定因素主次,注意: 排因素主次顺序时,应该包括交互作用 优方案的确定 如果不考虑因素间的交互作用 ,优方案:A2B2C1 交互作用AC比因素C对试验指标的影响更大 因素A,C水平搭配表,因素A,C水平搭配表,说明:,表头设计中的“混杂”现象(一列安排多个因素或交互作用) 高级交互作用 ,如AB C,一般不考虑 即使不考虑交互作用,最好仍与有交互作用时一样,按规定进行表头设计,4.3 正交试验设计结果的方差分析法,能估计误差的大小 能精确地估计各因素的试验结果影响的重要程度,4

7、.3.1 方差分析的基本步骤与格式,设: 用正交表Ln(rm)来安排试验 试验结果为yi(i=1,2,n),(1)计算离差平方和,总离差平方和,设:,各因素引起的离差平方和,第j列所引起的离差平方和 :,因此:,交互作用的离差平方和,若交互作用只占有一列,则其离差平方和就等于所在列的离差平方和SSj 若交互作用占有多列,则其离差平方和等于所占多列离差平方和之和, 例:r=3时,试验误差的离差平方和,方差分析时,在进行表头设计时一般要求留有空列,即误差列 误差的离差平方和为所有空列所对应离差平方和之和 :,(2)计算自由度,总自由度 :dfTn1 任一列离差平方和对应的自由度 : dfjr1 交

8、互作用的自由度 :(以AB为例) dfABdfA dfB dfAB( r1 )dfj 若r 2, dfABdfj 若r 3, dfAB 2dfj= dfA dfB 误差的自由度: dfe空白列自由度之和,(3)计算均方,以A因素为例 :,以AB为例 :,误差的均方:,注意:,若某因素或交互作用的均方MSe,则应将它们归入误差列 计算新的误差、均方 例:若MSA MSe 则:,(4)计算F值,各均方除以误差的均方,例如:,或,或,(5)显著性检验,例如: 若 ,则因素A对试验结果有显著影响 若 ,则交互作用AB对试验结果有显著影响,(6)列方差分析表,L8(27)二列间的交互作用,L8(27)表头设计,L27(313)表头设计,例6-8因素水平表,L8(424)表头设计,

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