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1、第一(dy)部分认 识 DOE第1页/共102页第一页，共103页。在进行6西格玛项目的改进阶段时，我们(w men)经常需要面对的一个问题是：在相当多的可能影响输出Y的自变量X中，确定哪些自变量确实显著地影响着输出，如何改变或设置这些自变量的取值会使输出达到最佳值？我们传统使用的方法：将影响输出的众多输入变量在同一次试验(shyn)中只变化一个变量，其他变量固定。传统方法的缺点：试验(shyn)周期长，浪费时间，试验(shyn)成本高；试验(shyn)方法粗糙，不能有效评估输入间的相互影响。第2页/共102页第二页，共103页。试验策划时，研究如何以最有效的方式安排试验，能有效识别多个输入因
2、素对输出的影响；试验进行时，通过对选定的输入因素进行精确、系统的人为调整来观察输出的变化情况；试验后通过对试验结果的分析以获取最多的信息，得出“哪些自变量X显著地影响着输出Y，这些X取什么值时会使Y达到最佳值”的结论。可以有效克服上述缺点(qudin)的试验方法是：DOE第3页/共102页第三页，共103页。DOEDOE取得取得(qd)(qd)的是突破性的是突破性改善改善 我们在分析阶段使用回归分析方法对历史数据进行分析，获得了相应的回归方程，得到Y与各个(gg)X间的关系式。但这种关系的获得是“被动”的，因为我们使用的是已有的现成的数据，几乎无法控制适用范围，无法控制方程的精确度，只能是处于
3、“有什么算什么”的状况。我们采用DOE的方法，自变量常取一些过去未曾取过的数值，并且进行精确的控制，对要研究的问题进行更广泛的探索，目的是要取得突破性改善。第4页/共102页第四页，共103页。2、DOE的基本(jbn)术语 2.1 因子：影响输出变量Y的输入变量X称为DOE中的因子可控因子：在实验过程中可以精确控制的因子，可做为DOE的因子非可控因子：在实验过程中不可以精确控制的因子，亦称噪声因子，不能作为DOE的因子。只能通过方法(fngf)将其稳定在一定的水平上，并通过对整体试验结果的分析，确定噪声因子对试验结果的影响程度。可控因子对Y的影响愈大，则潜在的改善机会愈大。第5页/共102页
4、第五页，共103页。EXP:可控因子(ynz)和噪声因子(ynz)表：因素对输出的影响改变的难易度是否作为试验因素目前水平非试验因素的处理焊接温度Y245松香比重Y0.81预热温度Y120波峰高度N采用现有参数影响重大或容易改变；影响重大或容易改变；影响中等或较易改变；影响中等或较易改变；影响轻微或难以改变影响轻微或难以改变在DOE的策划(chu)阶段，首先要识别可控因子和噪声因子第6页/共102页第六页，共103页。2.2水平(shupng)：因子的不同取值，称为因子的“水平(shupng)”2.3处理：各因子按照设定的水平(shupng)的一个组合，按照此组合能够进行一次或多次试验并获得输
5、出变量的观察值2.4模型与误差：按照可控因子x1、X2、。XK建立的数学模型 Y=F（ x1、X2、。XK ）+误差包含：由非可控因子所造成的试验误差失拟误差（lack of fit):所采用(ciyng)的模型函数F与真实函数间的差异2.5望大：希望输出Y越大越好 望小：希望输出Y越小越好 望目：希望输出Y与目标值越接近越好第7页/共102页第七页，共103页。2.6主效应：一个因子在不同水平下的变化导致输出变量的平均(pngjn)变化 因子的主效应=因子为高水平时输出的平均(pngjn)值-因子为低水平时输出的平均(pngjn)值 交互效应：如果一个因子的效应依赖于其它因子所处的水平时，则
6、称两个因子间有交互效应 因子AB的交互效应=（B为高水平时A的效应- B为低水平时A的效应）/2EXP：A的主效应(xioyng)：30B的主效应(xioyng)：40AB的交互效应(xioyng)：10无交互(jioh)效应的效应图：平行线有交互效应的效应图：交叉线第8页/共102页第八页，共103页。3、试验(shyn)设计的基本原则完全重复 进行试验的目的就是比较不同处理之间是否有显著差异，而显著性检验是拿不同总体间形成的差别与随机误差相比较，只有当各总体间的差别比随机误差显著地大时，才说“总体间的差别是显著的”，没有随机误差的估计就无法进行任何(rnh)统计推断。因此，在试验的安排中，
7、在处理相同的条件下一定要进行完全重复试验，以获得试验误差的估计。 注意： 一定要进行不同单元的完全重复，不能仅进行同单元的重复取样例如：在研究热处理问题时，不能仅从同一次试验中抽取不同的样品进行性能测试，而应该对同一组试验条件进行重新重复试验；否则将会造成试验误差的低估。第9页/共102页第九页，共103页。随机化 以完全随机的方式安排各次试验的顺序和所有试验单元(dnyun)。目的是防止那些试验者未知的但可能会对响应变量产生某种影响的变量干扰对实验结果的分析。随机化并没有减少试验误差本身，但随机化可以使不可控因素对实验结果的影响随机地分布于各次试验中区组化 实际工作(gngzu)中，各试验单
8、元间难免会有某些差异，如果可以按照某种方式进行分组，每组内可以保证差异较小，而允许区组间差异较大，可以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。能分区(fn q)组者则分区(fn q)组，不能分区(fn q)组者则随机化第10页/共102页第十页，共103页。4、DOE的一般(ybn)步骤4.1通过历史数据或现场数据确定目前的过程能力；4.2确立试验目标并确定衡量试验输出结果的变量；4.3确定可控因素和噪声因素；4.4确定每个试验因素的水平数和各水平的实际取值；并确定试验计划表；4.5验证测量系统；4.6按照试验计划表进行试验；并测量试验单元的输出；4.7分析数据，进行方差分析和回归
9、分析，找出主要因素并确定输入和输出 的关系式；4.8确认取得(qd)最好输出结果的因素水平的组合；4.9在此优化组合的因素水平上进行重复试验以确认效果；4.10通过标准作业程序固定优化的条件，并进行控制；4.11重新评估优化后的过程能力；第11页/共102页第十一页，共103页。5、DOE所用(su yn)到的主要工具测量系统分析假设检验：看检验结果的P值，P值小于设定的显著性水平（例如0.05）时判定要检验的两总体间有显著差异(chy)； P值大于设定的显著性水平（例如0.05）时判定要检验的两总体间没有有显著差异(chy)；方差分析：看检验结果的P值，P值小于设定的显著性水平（例如0.05
10、）时判定要检验的多总体间有显著差异(chy)； P值大于设定的显著性水平（例如0.05）时判定要检验的多总体间没有有显著差异(chy)；回归分析：看检验结果的P值，P值小于设定的显著性水平（例如0.05）时判定要检验的回归项或回归方程显著（有效）； P值大于设定的显著性水平（例如0.05）时判定要检验的回归项或回归方程不显著（无效）；第12页/共102页第十二页，共103页。6、DOE的类型(lixng)因子筛选设计(shj)：试验目的是为了确定在相当多的自变量中，哪些自变量并不显著地影响输出并予以删除，而保留那些显著影响输出的自变量。回归设计(shj)：试验目的是为了确定输入与输出之间的关系
11、式，找出回归方程。两水平因子设计(shj)：三水平因子设计(shj)：单因子试验设计(shj)：全因子试验设计(shj)：部分因子试验设计(shj)：第13页/共102页第十三页，共103页。第二(d r)部分单因子试验设计第14页/共102页第十四页，共103页。单因子试验通常的两个目的：比较因子的几个不同设置间是否有显著差异，如果有显著差异，哪个(n ge)或哪些设置较好；建立响应变量与自变量间的回归关系（线性、二次或三次多项式）；EXP:烘烤时间(shjin)和拉拔力的试验结果如下表（将20个产品随机抽取分为四组，在每种烘烤条件下按随机顺序试验5个产品）：时间55.566.5产品186.
12、594.389.686.4产品29293.394.287.9产品385.29290.890.6产品487.989.892.784.5产品58692.590.988.4完全重复：每种条件下进行5次试验；随机化：每组样品的分配(fnpi)和试验顺序完全随机化；区组化：如果有不同的型号，要分区组（本例不涉及）；第15页/共102页第十五页，共103页。目的一：各条件下的平均值是否(sh fu)有显著差异？哪个条件下最大？-单因子ANOVA1、验证数据(shj)的正态性和等方差性：等方差性检验(jinyn)的P值为0.798，可以认为四组数据的方差相等。第16页/共102页第十六页，共103页。2、进
13、行方差分析，检验各总体均值是否存在(cnzi)差异第17页/共102页第十七页，共103页。方差分析结果显示的P值为0.003，可以认为四组数据(shj)的均值有显著的差异第18页/共102页第十八页，共103页。目的二：建立响应变量(binling)与因子间的回归关系-回归分析从线性回归模型的拟合(n h)图和残差图可以看出，有明显的弯曲趋势。因为自变量取值达到了3个以上，因此可以拟合(n h)二次函数。在回归模型类型中选择“二次”：第19页/共102页第十九页，共103页。对回归结果进行分析(fnx)：回归方程的P值0.001，方程有效；残差图无异常。回归方程：Y=-202.3+102.7
14、X-8.940X*2由二次方程的特点可知，该方程的输出Y在X=-102.7/2*（-8.940）=5.7时达到最大值92.63第20页/共102页第二十页，共103页。第三部分全因子试验(shyn)设计第21页/共102页第二十一页，共103页。全因子试验设计是指所有因子的所有水平的所有组合都至少进行一次试验优点：可以估计所有的主效应和所有的各阶交互效应缺点(qudin)：所需试验的次数较多当因子个数不太多，而且确实需要考察较多的交互作用时，选用全因子试验设计两水平全因子(ynz)试验：2k第22页/共102页第二十二页，共103页。在两水平全因子试验中如何考虑DOE三原则中的重复试验原则？A
15、:将每一组试验条件重复2次或多次进行 优点：对试验误差估计得更准确 缺点：试验次数成倍增加B:在“中心点”处安排3-4次重复试验 优点：进行了完全相同条件下的重复，可以估计出试验误差（随机误差） 因子的取值由2个增加到3个，增加了对于响应变量可能存在的弯曲趋势的估计能力。该效果是简单重复所不能达到的 将中心点处所进行的3-4次试验安排在试验的开头、中间和结尾，这几个点的试验结果应只存在随机误差。如果这几个试验结果呈现非常明显的上升、下降或其他(qt)不正常的趋势，则可以帮助发现试验过程中的不正常现象第23页/共102页第二十三页，共103页。试验水平代码化试验水平代码化代码即将因子取不同水平时
16、赋予一个符号值，；例如两水平试代码即将因子取不同水平时赋予一个符号值，；例如两水平试验时，因子取低水平的代码设定为验时，因子取低水平的代码设定为- -1 1，高水平的代码设定为，高水平的代码设定为1 1，中心点的代码设定为，中心点的代码设定为0 0。实践经验。实践经验表明，在分析阶段，应对代码化后的数据进行分析。表明，在分析阶段，应对代码化后的数据进行分析。优点：优点：代码化后的回归方程中，自变量及交互作用项的各系数可以直代码化后的回归方程中，自变量及交互作用项的各系数可以直接比较，系数绝对值大的效应比系数绝对值小的效应更重要、接比较，系数绝对值大的效应比系数绝对值小的效应更重要、更显著；更显
17、著；代码化后的回归方程中各项系数的估计量间是不相关的，即删代码化后的回归方程中各项系数的估计量间是不相关的，即删除或增加某项，对于其他项的回归系数将不会发生影响；除或增加某项，对于其他项的回归系数将不会发生影响；在自变量代码化后，将各自变量以中心点在自变量代码化后，将各自变量以中心点0 0代入方程得到代入方程得到(d (d do)do)的相应变量的预测值是全部试验结果的平均值，也是全部的相应变量的预测值是全部试验结果的平均值，也是全部试验范围中心点上的预测值；试验范围中心点上的预测值；真实值与代码值之间的换算：中心(zhngxn)值=（低水平+高水平）/2 半间距=（高水平-低水平）/2 代码
18、值=（真实值-中心(zhngxn)值）/半间距第24页/共102页第二十四页，共103页。全因子试验(shyn)案例：1、选定因子并确定(qudng)水平，生成试验计划表选择合适的工艺参数，使合金钢板经过热处理后提高其抗断裂性能。经过分析找出四个重要因子，确定哪些(nxi)因子的影响确实是显著的，进而确定出最佳工艺条件。加热温度：低水平820，高水平860 加热时间：低水平2分钟，高水平3分钟转换时间：低水平1.4，高水平1.6 保温时间：低水平50分钟，高水平60分钟进行全因子试验，在中心点进行3次试验，一共19次试验。用Minitab实现：第25页/共102页第二十五页，共103页。第26
19、页/共102页第二十六页，共103页。计算机会自动对于试验顺序进行(jnxng)随机化处理。输出如下表格：注意：每次得到的随机化后的试验顺序(shnx)是不一样的。第27页/共102页第二十七页，共103页。2、按照上述试验顺序进行试验，并记录每批试验后得到的强度(qingd)值，填写在试验表的对应列内：第28页/共102页第二十八页，共103页。3、对试验结果进行分析(fnx)：DOE分析(fnx)的五步骤的流程：第29页/共102页第二十九页，共103页。第一步：拟合选定模型及模型分析：由于(yuy)三阶及三阶以上的交互作用通常可以忽略不计，我们通常所说的全模型就是在模型中包含全部因子的主
20、效应及全部因子的二阶交互效应。在对模型进行分析后，如果可以断言某些主效应及二阶交互效应不显著，则将不显著的效应删除，只保留效应显著的项。第30页/共102页第三十页，共103页。第31页/共102页第三十一页，共103页。Minitab运行窗口的输出(shch)如下：第32页/共102页第三十二页，共103页。分析评估回归的显著性：（1）看ANOVA表：如果(rgu)对应“主效应”和“2因子交互效作用”中至少一项的P 值0.05，则可以判定本模型总的来说是有效的，如果(rgu)两项的P值0.05，则可判定本模型总的来说是无效，此时说明整个试验没有有意义的结果。造成该情况的原因可能有以几点：试验
21、误差大。由于ANOVA检验的基础是将有关各项的离差平方和与随机误差的平方和相比较，形成F统计量。如果(rgu)随机误差平方和太大，则将使F变小，以而得到“不显著”的结论。此时，应仔细分析误差产出的各项原因，能否设法降低误差。 由测量系统造成的，应改进测量系统。 试验设计中漏掉了重要因子，漏掉重要因子会使“试验误差”增大。在初期选定因子时，应该“宁多毋漏”，因子多选了，将来删除很容易，但漏掉了想找回来难度就较大。有可能模型本身有问题。例如模型有失拟或数据本身有较强的弯曲。 在本例中，主效应P值0.001（显著）、2因子交互作用P值0.465（不显著）第33页/共102页第三十三页，共103页。（
22、2）看ANOVA表中的失拟项： 如果失拟项的P值0.05，表明本模型没有失拟观象，反之就说明模型漏掉了重要的项（如高阶交互作用项），应该(ynggi)补上。（3）看ANOVA表中的弯曲项： 如果弯曲项的P值0.05，表明本模型没有弯曲现象。反之，就说明数据呈现弯曲，而模型中没有平方项，应该(ynggi)补上。 本例中，失拟项的P值0.709（无失拟）； 弯曲项的P值0.633（无弯曲）；第34页/共102页第三十四页，共103页。分析评估回归的总效果：（1）对于两个确定系数R及Radj的分析： 该两个系数的接近程度反映了模型的好坏，二者之差越小说明模型越好。我们常比较包含(bohn)所有自变量
23、有关项的“全模型”与删减所有影响不显著的项后的“缩减模型”，如果将影响不显著的项删去之后，二者更接近，则说明删去这些项确实使模型得到了改进。本例中 RSq=92.75% RSq(adj)= 81.36% 二者差距较大，说明模型还有改进余地。第35页/共102页第三十五页，共103页。（2）对S或S的分析 比较两个模型的优秀，最关键的指标可以看S或S，哪个模型能使之达到最小，哪个模型就最好。 所有(suyu)观测值与理论模型之间是有误差的，该误差应服从均值为0方差为的分布。运行窗口输出的S或S是对及的无偏估计量。 （S值的由来：求出实际观测值与拟合之差的平方和，除以自由度后可得S，求算术根得到S
24、）本例中 S=6.30446,S=39.746(Adj MS的值）第36页/共102页第三十六页，共103页。（3）对于预测结果的整体估计(gj)： 杠杆点：在模型中起特别重要作用的点，也称强影响点，此类点对于回归方程各系数的评估起着强烈的影响作用，一旦被删除，方程会有较大变化。 普通点：删除该点对方程几乎没有影响。 需警惕得到的方程是受个别杠杆点影响面形成的“虚假”方程，这种方程从表面上看，可能拟合得较好，但用作预测效果会很差。 引入两统计量判断是否有杠杆点：PRESS：删除第i个观测值求出回归方程并求其残差，然后对所有残差的平方求和，可得到PRESS。 PRESS比SSE大很多时，表明数据
25、中有杠杆点的存在，需要改进。 PRESS比SSE大不多时，表明数据点中有特殊地位的点不多，用此回归方程做预测比较可信。RSq(预测)：利用Press值代替计算R时用到的SSE，可得RSq(预测)。 如果Sq(预测)比RSq小的不多，也可表明数据中没有杠杠点。本例中：Press值1874.81比SSE278.22大很多，同时，RSq(预测) 51.17%比RSq92.75%小很多，表明有较多点与模型差距较大，需进一步改进。第37页/共102页第三十七页，共103页。分析评估(pn )各项效应的显著性 看回归分析表中各效应的P值，P值0.05的项为显著项。修改模型时，删除不显著的项。注意：如果一个
26、高阶项是显著的，此高阶项所包含的低阶项也必须包含在模型中本例中P值0.05的显著项是加热温度、加热时间和保温时间。对于各项效应的显著性，计算机还会输出一些辅助图形帮助判断有关的结论：Pareto效应图：绝对值（t值）超过临界值的项为显著项。正态效应图：离直线较远的项为显著项。第38页/共102页第三十八页，共103页。第二步：残差诊断： 基于残差的状况来修断模型是否与数据拟合(n h)较好。 观察残差是否服从均值为0，标准差为的正态分存，如果是，可以进一步相信所选定的模型是正确的。否则就要对模型进行修改。 残差诊断的四个步骤：观察“四合一”图中残差对于以观测值顺序为模轴的散点图。重点考察此散点
27、图中各点是否随机地在水平轴上下无规则地波动着。观察“四合一”图中残差对于以响应变量拟含预测值为横轴的散点图。重点考察此散点图中，残差是否保持等方差性，即是否有“漏斗型”或“喇叭型”。 如果散点有明显的“漏斗型”或“喇叭型”，这说明对响应变量y作某种变换后才会与模型拟合(n h)得更好，例如取y，1/y , 1ny等。观察“四合一”图的正态概率图，看残差是否服从正态分布。观察线差对于从各自变量为横轴的散点图，重点观察此散点图是否有弯曲的趋势，如果散点有明显的U型或反U型弯曲，说明对于影响应变量Y，对该自变量反取线性已经不够了，应该增加平分项或立方项会使模型拟合(n h)得更好。本例的残差图如下图
28、，根据以上诊断方法，残差正常。第39页/共102页第三十九页，共103页。第40页/共102页第四十页，共103页。第41页/共102页第四十一页，共103页。第三步 判断模型是否要改进 基于对模型及残差的分析结果，判断模型是否需要修改，重要建立模型并重复上述步骤(bzhu)。 本例中显著效应只有加热温度，加热时间及保温时间，保留该三项作拟合分析，从拟合的结果中，可发现有失拟及Radj变小的现象，观察发现加热时间及保温时间的交互作用的P值处于临界值。增加该项交互作用重新拟合分析，结果如下：全模型与删减(shn jin)模型的比较表全模型删减模型R-Sq92.75%89.94%RSq(adj)
29、81.36%86.07%S6.304465.45038Press1874.81724.35RSq(预测)51.17%81.13%第42页/共102页第四十二页，共103页。第43页/共102页第四十三页，共103页。第四步 对选定模型进行分析解释： 经过前三点的反复，可以获得一个为满意的方程(fngchng)，作为选定的模型。本例的回归方程(fngchng)可从两方面获得： 从代码化后的回归数据： Y=541.32+10.02*（A-840）/20 +8.44*(B-2.5)/0.5 +5.556*(D-55)/5 +3.556 *(B-2.5)/0.5 ) *(D-55)/5) 从运算结果给
30、出的未代码化的数据： Y=212.79+0.5009*A-61.35*B-2.445*D+1.4225*B*D第44页/共102页第四十四页，共103页。再次进行残差诊断： 前面的残差诊断着重考虑模型是否与数据拟合的合适，如何修改模型以求拟合得更好，本阶段(jidun)的诊断是在模型不再修改的前提下，判断数据是否有个别点出现异常。选定“标准代残差”及“删后残差”，查看输出的绝对值，绝对值小于2时正常。第45页/共102页第四十五页，共103页。确认主效应及交互(jioh)效应的显著性，并考虑最优设置。第46页/共102页第四十六页，共103页。从主效应图中可以看出，加热温度、加热时间和保温(b
31、own)时间为显著的主效应；从交互作用图上可以看出，加热温度和保温(bown)时间为显著的2阶交互效应。第47页/共102页第四十七页，共103页。输出等值线图，响应曲面图等以确认最佳设置 等值线图及响应曲面图只能(zh nn)同时考虑两个变量及一个响应变量。只用绘制有交互作用的变量就可以了（无交互作用的变量的等值线图是一组平行线，响应曲面图是平面）第48页/共102页第四十八页，共103页。实现(shxin)最优化从结果可以看出，当加热温度(wnd)为560，加热时间为3.0，保温时间为60时，输出可取的最优质568.8937第49页/共102页第四十九页，共103页。第五步：进行(jnxn
32、g)验证试验先计算出在最佳点的观测值预测值及其波动范围，然后在最佳点做若干次验证（3次以上），如果验证结果的平均值落入事先计算好的范围内，则说明一切正常，模型是正确的，预测结果可信，否则，就要进一步分析发生错误的原因，改进模型，再重新验证。第50页/共102页第五十页，共103页。第四部分(b fen)部分(b fen)因子试验设计第51页/共102页第五十一页，共103页。进行部分实施的因子试验(shyn)的必要性进行二水平全子试验(shyn)设计时，全因子试验(shyn)的总试验(shyn)次数随因子个数的增加 呈现指数型增长，例如：5个因子需要32次试验(shyn)，8个因子需256次试
33、验(shyn)。但仔细分析可发现，所建立的回归方程除常数项外，估计的主数应有8项，2项交互效应有28项，结果如下表：项别常数12345678项数18285670562881除了常数，一阶及二阶项外，共有219项是三阶及三阶以上的交互作用项，而这些项实际上已无具体的意义。能否少做一些试验，但又能估计(gj)方程中的常数，一阶及二系数呢？-部分实施的因子试验可以实现，在因子较多时，只分析各因子主效应和二阶交互效应是否显著，而不考虑高阶交互作用。第52页/共102页第五十二页，共103页。方案1：删节(shnji)试验方法，4个二水平的因子，作全因子试验需16项，计划表为：4 因子全因了试验计划表A
34、BCDABACADBCBDCDABCABDACDBCD ABCD1-1-1-1-1111111-1-1-1-1121-1-1-1-1-1-1111111-1-13-11-1-1-111-1-1111-11-1411-1-11-1-1-1-11-1-11115-1-11-11-11-11-11-111-161-11-1-11-1-11-1-11-1117-111-1-1-111-1-1-111-118111-111-11-1-11-1-1-1-19-1-1-1111-11-1-1-1111-1101-1-11-1-111-1-11-1-11111-11-11-11-1-11-11-11-1112
35、11-111-11-11-1-11-1-1-113-1-1111-1-1-1-1111-1-11141-111-111-1-11-1-11-1-115-1111-1-1-1111-1-1-11-116111111111111111第53页/共102页第五十三页，共103页。如何选8次做试验呢？随便选8项，可以吗？ 如何保持选出的8项具有正交性？固定将某列（比如最后一列ABCD）取“1”的8行以保留，而删去取“1”的8行，如此A、B、C、D这4列中皆有4行取“1”，4行取“1”，延续正交试验“均衡分散，整齐(zhngq)可比“的优点”。减半实施 4 因子全因了试验计划表（ABCD=1)ABCDA
36、BACADBCBDCDABCABDACDBCD ABCD1-1-1-1-1111111-1-1-1-11411-1-11-1-1-1-11-1-111161-11-1-11-1-11-1-11-1117-111-1-1-111-1-1-111-11101-1-11-1-111-1-11-1-11111-11-11-11-1-11-11-11-1113-1-1111-1-1-1-1111-1-1116111111111111111第54页/共102页第五十四页，共103页。混杂：仔细分析上表可发现，删除8行后，除去一列（ABCD列）全为1外，每列都有与之成对的另一列是完全相同的，例如D=ABC。
37、完全相同的两列，在作分析时，计算出效应或回归系数结果就完全相同，这两列的效应被称为“混杂”，也可以称为D与ABC互为别名。混杂是坏事，但任何部分实施的因子试验，混杂是不可避免的。我们希望(xwng)混杂安排的好一些，尽量让感兴趣的因子或交互作用只与更高阶的交互作用相混杂，高阶交互作用可略不计，如此，我们感兴趣的因子和交互作用就可以估计了。例如上例中，不取ABCD=1，取BCD=1的8行，合发现现在D=BC，显然不如D=ABC。第55页/共102页第五十五页，共103页。方案二：增补因子法： 3因子试验表如下： 如果保证增加因子后的正交性，第4个因子必须与AB、AC、BC、ABC三列中一列一致(
38、yzh)，取D=ABC，可得到和方案一相同的结果。3 因子全因了试验计划表ABCABACBCABCD1-1-1-1111-1?21-1-1-1-111?3-11-1-11-11?411-11-1-1-1?5-1-111-1-11?61-11-11-1-1?7-111-1-11-1?81111111?第56页/共102页第五十六页，共103页。我们称D=ABC为生成，称ABCD=1为定义关系，等式左端项的总数，称为(chn wi)整个设计的分辨度（ABCD=1为分辨度为的设计）。从定义关系（如ABCD=1）可得到混杂的规律：字母可在等式两端随意移动。分辨度为R的部分实施因子设计为2K-PR 分辨
39、度为的设计：各主效应间没有混杂，但某些主效应与某些2阶交互效应混杂；分辨度为的设计：各主效应间没有混杂,主效应与2阶交互效应也没有混杂；但主效应与3阶交互效应有混杂，某些2阶交互效应间也有混杂；分辨度为的设计：主效应与4阶交互效应混杂，2阶交互效应与3阶交互效应混杂；分辨(fnbin)度表：第57页/共102页第五十七页，共103页。部分因子试验计划表生成案例：两水平6因子（A B C D E F)，通过20次试验，考察各因子主效应和2阶交互效应AB、AC、CF、DE是否显著。由于试验次数的限制，在因子点上做16次试验，另4次取中心点，此时分辨度为，2阶交互效应之间会产生混杂，但只要保证(bo
40、zhng)要考察的2阶交互效应AB、AC、CF、DE之间没有混杂就可以。第58页/共102页第五十八页，共103页。默认生成元的部分因子(ynz)试验计划第59页/共102页第五十九页，共103页。第60页/共102页第六十页，共103页。指定生成元的部分因子试验计划：从设定的条件(tiojin)AB、AC、CF、DE没有交互作用，可知F ABC、E ABD、E ACD；选定F=BCD、E=ABCD，利用指定生成元方式形成试验计划第61页/共102页第六十一页，共103页。第62页/共102页第六十二页，共103页。部分因子试验案例：经分析，团队认为影响变压器耗电量的4个因子分别为：A绕线速度
41、：低水平2，高水平3 B矽钢厚度：低水平0.2，高水平0.3C漆包厚度：低水平0.6，高水平0.8 D密封剂量：低水平25，高水平35安排12次试验，确定显著影响因素并确定最优值。已知情况：绕线速度与密封剂量毫无关系，因而可认为两者间无交互作用。试验安排如下：采用24-14部分因子试验。对4因子来讲，8次试验可以实现分辨度为的计划(jhu)。选择生成元为D=ABC，同时可知AB=CD、AC=BD、AD=BC、有三对2阶因子效应会混杂。输出的试验计划(jhu)表及试验后的数据如下：第63页/共102页第六十三页，共103页。输出输出(shch)(shch)的试验计划表及试验后的的试验计划表及试验
42、后的数据如下：数据如下：第64页/共102页第六十四页，共103页。第一步：拟合选定第一步：拟合选定(xun (xun dn)dn)模型模型第65页/共102页第六十五页，共103页。从ANOVA表可看出，模型总效应是显著的（主效应项P值0.004，2因子交互作用项P值0.008）；数据无弯曲（P值0.809）。回归效果(xiogu)的质量也较好：R-Sq=99.037,R-Sq=96.46.从单个因子效应的检验可以看出：主效应中，因子 A 效应不显著（P值0.679），因子B、C、D效应显著（P值分别为0.002、0.005、0.021）。分析交互效应时需特别注意，某些2阶交互效应显著时，不
43、能仅从表面上的结果来决定取舍。要仔细分析混杂结构，查看在结构表中，此显著项是与哪些2阶交互作用效果(xiogu)相混杂，再根据背景材料予以判断。本例中分析显示A与D的交互效应显著（P值0.002）但由于AD=BC，所以该效应是由AD与BC共同得到的，案例背景说明，AD不可能有效互效应，因此应该是BC的交互效应。如果该项交互效应不显著，则可判定二者都没有显著作用。第66页/共102页第六十六页，共103页。第二步：进行残差诊断第三步：判断模型是否需要改进： 删除不显著的A、AB、AC项，重新进行模型拟合(n h)及分析。 新第一步：拟合(n h)选定模型 新第二步：残差诊断全模型删减模型R-Sq
44、99.03%98.91%RSq(adj)96.46%98%S6.191394.64579第67页/共102页第六十七页，共103页。第四步：对选定模型进行分析(fnx)解释检查是否有异常点，输出 “标准代残差”及“删后残差”；未发现绝对值起过2的异常现象输出各因子的主效应及交互效应图，从效应图中可看出，因子B、C、D及BC确定是显著的第68页/共102页第六十八页，共103页。输出(shch)等值线图及响应曲面图第69页/共102页第六十九页，共103页。实现(shxin)最优化：从图中可知，当因子B取最小值0.2，因子C取最小值0.6，因子D取最大值35时最好，耗电量可降至206.75第五步
45、：判断(pndun)目标是否已经达到。第70页/共102页第七十页，共103页。筛选试验设计(shj)：当因子较多（两水平）、试验费用比较昂贵，而且不必考虑任何交互作用的情况下，可以考虑采用试验次数更少的筛选试验设计(shj)方案，用于从试验初期大量的可能因素中筛选出关键的少数因素。当试验次数为4的整数倍时，即可保证试验方案的正交性。因此(ync)，筛选试验设计就是对试验次数为4的整数倍时（非2的整数幂,否则就与部分因子试验一致）给出的设计方案，最有用的是试验次数为12（可以安排最多11个因子），20，24的试验方案。只是其分辨度只能达到级。第71页/共102页第七十一页，共103页。8因子安
46、排12次试验，如何(rh)生成筛选试验设计方案？第72页/共102页第七十二页，共103页。第73页/共102页第七十三页，共103页。案例(n l)分析第74页/共102页第七十四页，共103页。第五(d w)部分中心复合试验设计第75页/共102页第七十五页，共103页。我们在用2水平因子试验数据拟合一个线性回归方程时（方程中可包含(bohn)因子的交叉乘积项），如果发现有弯曲的趋势，则希望拟合一个含二次的回归方程，其一般模型为： Y=b0+b1x1+b2x2+b11x1+b22x2+b12x1x2+模型中增加了各自变量的平方项，若要估计这些项的回归系数，需要增补一些试验点（相当于增加了一
47、个水平，用于评价因素间的非线性关系 ）。中心复合设计（central composite design, CCD）是实现该步骤的方法，CCD是响应曲面设计RSM的一种。中心复合设计的特点：可以(ky)评估因素的非线性影响；适用于所有因素均为计量值数据的试验；因素数据在26个范围内的试验，试验次数较多（2个因素12次，4因素30次）第76页/共102页第七十六页，共103页。中心复合设计(shj)试验由三部分试验点构成（假定因子已代码化） 1：立方体点，各点坐标皆1或-1，这是组成因子试验的部分。 2：中心点,各点之各维坐标均为0 3：轴向点，除一自变量的坐标为a外，其余自变量坐标皆为0，在k个
48、因子情况下，共有2k个轴向点。从上可知，立方体点和中心点构成一个普通的全因子设计(shj)，轴向点和另外一些中心点将其扩展为2阶设计(shj)第77页/共102页第七十七页，共103页。需确定(qudng)的问题：选择全因子试验部分，当因子个数小于5时，取全因子试验安排，因子数大于5时可考虑部分因子设计，通常要求设计的分辨度在V以上。确立中心点个数：为了分析更多细节，使预测值在整试验区域内都有一致均匀精度，需适当增加中心点试验个数。试验方案给出不同因子个数的情况(qngkung)下中心点的试验次数。第78页/共102页第七十八页，共103页。确定轴向点的位置（即确定a）在对a的选取方面，有旋转
49、型和序贯性需要重点考虑：旋转性：将来在某点处预报值的方差仅与该点到试验点中心的距离有关，而与其所在的方位无关，也即响应变量的预测精度在以设计中心为球心的球面上是相同的。序贯性：类似本部分开始所描述的，先后分两阶段完成全部试验的策略称为(chn wi)“序贯试验”的策略。有序贯性是指前期的试验结果在增加试验点后的分析中仍可被使用。为满足旋转性及序贯性的要求：a = (F为全因子试验点总数)例 2因子试验 a =1.414 ， 3因子a =1.682 ,4因子a =2 。按此公式选定的a 值安排CCD试验特称为(chn wi)中心复合序贯设计（CCC）。 第79页/共102页第七十九页，共103页
50、。如果(rgu)希望轴向点试验水平安排不超过立方体边界时（例如试验条件达不到后该条件会造成危害），可将a 取为1，此时则会将原CCD缩小到整个立方体内，此种设计称为中心复合有界设计（CCI），但由于立方体点的取值发现了变化，此试验方案已失去了序贯性。只将轴向点的位置收缩到立方体的表面上，即取a 为1，（立方体点不变），此设计称为中心复合表面设计（CCF）。此种设计具有序贯性，但失去(shq)了旋转性。第80页/共102页第八十页，共103页。响应曲面设计的另一种方法是安排因子各试验点取在立方体棱的中心点上，称为BB（BOX-BEHNKEN)设计。此种方案所需点数比CCD要少，具有(jyu)近似
51、旋转性，但没有序贯性。第81页/共102页第八十一页，共103页。创建响应曲面(qmin)试验计划（EXP：3因子试验计划）第82页/共102页第八十二页，共103页。a值的选取：默认-按照因子个数、旋转型和正交性由计算机给出最佳值表面中心(zhngxn)-a=1，即选择中心(zhngxn)复合表面设计CCF水平定义：立方点-表示(biosh)设计的水平为立方体点，即选择的是中心复合序贯设计CCC，轴向点将超出立方体；轴点-表示(biosh)设计的水平作为轴向点，即选择的是中心复合有界设计CCI，轴向点在立方体边界，立方点将向内收缩第83页/共102页第八十三页，共103页。第84页/共102
52、页第八十四页，共103页。中心复合设计(shj)试验的步骤：先进行2水平的增加中心的全因子或部分因子试验；如果发现非线性影响为显著影响，则加上试验点进行补充试验以得到非线性预测方程；在确信有非线性影响的情况下，中心复合试验也可一次进行完毕（某些试验方案不具备序贯性）；第85页/共102页第八十五页，共103页。响应曲面设计案例分析：影响烧碱纯度的制程因素为反应炉内压力（高水平60，低水平50）和温度（高水平320，低水平260），在中心点出进行了3次试验。试验方案及试验后数据（输出(shch)指标为纯度）如下表：从方差分析表可以看出，弯曲项的P值只有0.014，存在严重(ynzhng)的弯曲现
53、象，另外从残差对自变量的图中也可以看出残差存在明显的弯曲。第86页/共102页第八十六页，共103页。补充轴向点试验：为了使试验具有(jyu)序贯性和旋转型，采用CCC试验方案，2因子CCC试验的a=1.414。添加4次轴向点试验（1.414，0）（-1.414，0）（0，1.414）（0，-1.414）。根据代码值和真实值的换算关系可得，压力值的两个轴向点为62.1和47.9，温度值的两个轴向点为332.4和247.6。试验计划表、试验结果的分析如下：第87页/共102页第八十七页，共103页。第88页/共102页第八十八页，共103页。判断模型是否需要改进(gijn)：从分析结果可知：压力
54、*温度的交互作用的P值为0.855，所以交互作用不显著。从残差图未看出其他方面的异常。删除交互作用项，重新进行拟合。从结果可知，删减模型的R-Sq、 R-Sq （调整）、R-Sq(预测）、S等比原模型更好，而且残差图未见异常情况。对选定(xun dn)模型进行分析解释第89页/共102页第八十九页，共103页。第六部分混料试验(shyn)设计第90页/共102页第九十页，共103页。在实际工作中，常常需要研究一些配方配比试验问题。这些配方是由多种成份按照相应比率制作而成的。我们将这种配方统称为混料，组成混料的各种成分称为混料成分或分量。该成分就是试验设计中的因子。在这种试验中，我们所关心的是各
55、种分量的比例(bl)（而不是其绝对值）。在设计试验时另一个很重要的约束条件是所有分量比例(bl)之和总为 1（即100%） 。第91页/共102页第九十一页，共103页。对于3种分量（因子(ynz)）的混料设计面言，引入“三线坐标系”，更直观显示各分量的组成状况。其原理是：等边三角形内的任何一点，到三边的距离（垂线）的和等于该三角形的高。如果把三角形的高设为 1 ，则任何一点都可以由其到三条边的三个距离给出三个坐标，这三个坐标的和恒为 1 。第92页/共102页第九十二页，共103页。从图中可以看出，三角形三个顶点坐标分别是A（1，0，0，），B(0，1，0，)及C（0，0,1）.三角形内任意
56、一点的坐标可以理解为每个点到顶点对边的距离，越靠近某个(mu )点，该项坐标越按近于1，越远离某个(mu )顶点，这项坐标越接近于0。如果点移到了三角形的边上时，则表示三种成份中缺少一种（缺少的是对边顶点代表的成份）。三角形的质心到三个顶点的距离相等，坐标为（1/3，1/3，1/3，）。四个分量（因子）的图为正四面体。第93页/共102页第九十三页，共103页。方法一：单纯形质心法： P个因子的混料设计，按照单纯形质心法的试验(shyn)点由P批点组成，第一批是各顶点（PT）,第二批是每2个顶点的质心（共P（P1）/2个），第三批是每3个顶点的质心（共P（P1）(P2)/3！个），。P批点总计
57、有2P-1个点。将要拟合(n h)的方程形成为： y =b0+b1x1+b2x2+b3x3+b12x1x2+b13x1x3+b23x2x3+b123x1x2x33因子单纯形质心设计(shj)试验点示意图：4因子单纯形质心设计试验点示意图：第94页/共102页第九十四页，共103页。创建单纯形质心试验(shyn)设计计划：空气过滤剂由活性炭、碳酸钙和碱性液三种成分组成，创建试验(shyn)计划，探索三种成分的最佳组合。第95页/共102页第九十五页，共103页。第96页/共102页第九十六页，共103页。方法二：单纯形格点法 格点是维数（因子数）和格度度（要批合的方程的阶数）两个(lin )参数
58、确定的，格点集记为（p,d）,示意图：（3，3）轴向和中心点增强示意图（3，3）中心点增强示意图（3，2）未增强示意图第97页/共102页第九十七页，共103页。创建单纯形格点试验(shyn)设计计划：同上例第98页/共102页第九十八页，共103页。方法三:极端顶点设计法：如果在混料设计问题中，各分量要受到上下界的限制，或各分量间有些约束条件要满足，可采用极端顶点设计法。各限制平面(pngmin)的交点称为极端顶点。创建极端顶点设计计划：同上例。限制条件有两个，一个是各分量的比例上下限，另外为活性炭和碳酸钙比例之和的限定(xindng)提案件。第99页/共102页第九十九页，共103页。第1
59、00页/共102页第一百页，共103页。第101页/共102页第一百零一页，共103页。感谢您的欣赏(xnshng)！第102页/共102页第一百零二页，共103页。内容(nirng)总结第一部分。望目：希望输出Y与目标值越接近(jijn)越好。随机化并没有减少试验误差本身，但随机化可以使不可控因素对实验结果的影响随机地分布于各次试验中。能分区组者则分区组，不能分区组者则随机化。随机化：每组样品的分配和试验顺序完全随机化。目的二：建立响应变量与因子间的回归关系-回归分析。如果弯曲项的P值0.05，表明本模型没有弯曲现象。弯曲项的P值0.633（无弯曲）。观察“四合一”图的正态概率图，看残差是否服从正态分布第一百零三页，共103页。
