实验设计与数据处理ppt

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1、实验设计与数据处理实验设计与数据处理实验设计与数据处理实验设计与数据处理 第一章第一章 概论概论一、一、实验设计与数据处理实验设计与数据处理课程的目的、意义课程的目的、意义任何自然科学都离不开实验，大多数学科（化工、化学、轻工、任何自然科学都离不开实验，大多数学科（化工、化学、轻工、材料、环境、医药、热工等）中的概念、原理和规律大多由实验材料、环境、医药、热工等）中的概念、原理和规律大多由实验推导和论证的。推导和论证的。如最佳的配方、工艺条件，产品性能的优化，对如最佳的配方、工艺条件，产品性能的优化，对产品质量、环境质量作出评价等。产品质量、环境质量作出评价等。“实验设计与数据处理实验设计与数

2、据处理”课程是以概率论数理统计、专业技术知课程是以概率论数理统计、专业技术知识和实践经验为基础，经济、科学地安排试验，并对试验数据进识和实践经验为基础，经济、科学地安排试验，并对试验数据进行计算分析，最终达到减少试验次数、缩短试验周期、迅速找到行计算分析，最终达到减少试验次数、缩短试验周期、迅速找到优化方案的一种科学计算方法。它主要应用于工农业生产和科学优化方案的一种科学计算方法。它主要应用于工农业生产和科学研究过程中的科学试验，是产品设计、质量管理和科学研究的重研究过程中的科学试验，是产品设计、质量管理和科学研究的重要工具和方法。要工具和方法。通过本课程的教学，使学生掌握试验数据统计分析的基

3、本原理，通过本课程的教学，使学生掌握试验数据统计分析的基本原理，并能针对实际问题正确地运用。学好本课程，为将来从事各专业并能针对实际问题正确地运用。学好本课程，为将来从事各专业科学研究打下基础。科学研究打下基础。农业领域道路桥梁 工业产品（一）实验的分类（一）实验的分类验证性实验验证性实验：对已知的理论进行验证，以加深：对已知的理论进行验证，以加深对理论的认识对理论的认识探索性实验探索性实验：为了揭示尚未完全认识的事物，：为了揭示尚未完全认识的事物，发现其发生与发展的规律，以完成工程与科研发现其发生与发展的规律，以完成工程与科研任务，具有很强的探索性任务，具有很强的探索性 （工程中经常碰到）（

4、工程中经常碰到） （二）实验过程（二）实验过程实验准备实验准备实验实验实验数据分析处理实验数据分析处理1实验准备实验准备 提出问题，弄清实验目标提出问题，弄清实验目标 设计实验方案（实验设计）设计实验方案（实验设计） 拟订实验大纲拟订实验大纲 实验设备、测试仪器的准备实验设备、测试仪器的准备2实验实验 （1）测试）测试 （2）记录）记录3实验数据的分析、处理实验数据的分析、处理 通过一定的方法对实验数据进行整理、分析，去伪存真，通过一定的方法对实验数据进行整理、分析，去伪存真，提炼出我们需要的信息，以发现事物的规律。提炼出我们需要的信息，以发现事物的规律。4提交实验报告或科研报告提交实验报告或

5、科研报告二、主要内容二、主要内容1实验设计实验设计 单因素实验设计（均分法，对分法，单因素实验设计（均分法，对分法，0.618法，法，分数法）分数法） 双因素实验设计双因素实验设计 多因素实验设计（正交实验设计）多因素实验设计（正交实验设计）2数据处理数据处理 实验误差分析实验误差分析 实验数据整理实验数据整理 实验数据分析（直观分析法、方差分析、实验数据分析（直观分析法、方差分析、回归分析）回归分析）参考文献参考文献郑少华、姜奉华郑少华、姜奉华试验设计与数据处理试验设计与数据处理，中国建，中国建材工业出版社，材工业出版社，20042004年年3 3月第月第1 1版，版，51.727/Z429

6、51.727/Z429（适合材料科学与工程、化工、机械、农业、医药等（适合材料科学与工程、化工、机械、农业、医药等专业）专业）方萍、何延方萍、何延试验设计与统计试验设计与统计，浙江大学出版社，浙江大学出版社，20032003年年6 6月第月第1 1版版（适合环境与资源相关专业、生命科学、农业科学、（适合环境与资源相关专业、生命科学、农业科学、医学）医学） 美美Douglas C.MontgomeryDouglas C.Montgomery著著实验设计与分析实验设计与分析中国统计出版社，中国统计出版社，19981998年年6 6月第月第1 1版（电工等专业版（电工等专业 ）杨德杨德试验设计与分析

7、试验设计与分析，中国农业出版社，中国农业出版社王万中王万中试验的设计与分析试验的设计与分析，高等教育出版社，高等教育出版社第二章第二章 实验设计实验设计第一节第一节 概概 论论实验设计实验设计是指为节省人力、财力、迅速找到最佳条件，揭示事物内是指为节省人力、财力、迅速找到最佳条件，揭示事物内在规律，根据实验中不同问题，在实验前利用数学原理科学编排实验的在规律，根据实验中不同问题，在实验前利用数学原理科学编排实验的过程。过程。以概率论与数理统计学为理论基础，为获得可靠试验结果和有用信息，以概率论与数理统计学为理论基础，为获得可靠试验结果和有用信息，科学安排试验的一种方法论，亦是研究如何高效而经济

8、地获取所需要的科学安排试验的一种方法论，亦是研究如何高效而经济地获取所需要的数据与信息的方法。数据与信息的方法。正确的实验设计不仅节省人力，物力和时间，并且是得到可信的实验结果的重要正确的实验设计不仅节省人力，物力和时间，并且是得到可信的实验结果的重要保证。即保证。即经过设计的实验，效果大大提高，与不经过设计的实验相比，经过设计的实验，效果大大提高，与不经过设计的实验相比，情况大不相同。情况大不相同。广义上说，实验设计包括明确实验目的，确定测定参数，确定需要控制或改变的广义上说，实验设计包括明确实验目的，确定测定参数，确定需要控制或改变的条件，选择实验方法和测试仪器，确定实测精度要求，实验方案

9、设计和数据处理条件，选择实验方法和测试仪器，确定实测精度要求，实验方案设计和数据处理步骤等。步骤等。1实验设计的发展过程实验设计的发展过程20世纪初：英国生物统计学家费歇尔（世纪初：英国生物统计学家费歇尔（1890-1962）首次提出了）首次提出了“试验设计试验设计”术语。术语。实验设计方法最早应用于农业、生物学、遗传学方面。在农业方实验设计方法最早应用于农业、生物学、遗传学方面。在农业方面主要是进行品种对比、施肥对比等。面主要是进行品种对比、施肥对比等。 2020世纪世纪4040年代，英美两国开始在工业生产中应用，如改变原料配年代，英美两国开始在工业生产中应用，如改变原料配比或工艺生产条件，

10、寻找最佳工况。比或工艺生产条件，寻找最佳工况。50、60年代：日本田口玄年代：日本田口玄博士创造了正交试验设计博士创造了正交试验设计法。法。日本电讯研究所研制的日本电讯研究所研制的“线形弹簧继电器线形弹簧继电器”，使电话机收听效果，使电话机收听效果大为改进，为日本电讯事业的发展起到了不可估量的作用。大为改进，为日本电讯事业的发展起到了不可估量的作用。50年代：我国中科院数学研究所年代：我国中科院数学研究所在正交实验设计的观点、在正交实验设计的观点、理论和方法上有了新的创见，理论和方法上有了新的创见，编制了编制了一套较为适用的一套较为适用的正交表正交表，简化了实验程序和实验结果分析方法。，简化了

11、实验程序和实验结果分析方法。 目前，实验设计已广泛应用于各个领域。目前，实验设计已广泛应用于各个领域。2实验设计的基本宗旨实验设计的基本宗旨 最大限度地提高实验最大限度地提高实验效率效率 最大限度地提高实验最大限度地提高实验精度精度 3实验设计基本要素实验设计基本要素指标指标 用来衡量试验效果好坏的特征值。用来衡量试验效果好坏的特征值。因素因素 对实验指标有影响的原因或要素。对实验指标有影响的原因或要素。水平水平 因素在实验中所处的不同状态，可因素在实验中所处的不同状态，可 能引起指标的变化。能引起指标的变化。1）指标）指标用来衡量试验效用来衡量试验效果好坏的特征值果好坏的特征值指标分类：指标

12、分类：a)定量定量指标（数量指标，如强度、重量、产量、指标（数量指标，如强度、重量、产量、合格率、成活率、废品率、转化率等。）合格率、成活率、废品率、转化率等。）b)定性定性指标指标 （非数量指标，如颜色、味道、（非数量指标，如颜色、味道、光泽等）光泽等）指标的选择要求：指标的选择要求：选择选择客观性强客观性强的指标，选择的指标，选择易于量化易于量化即经过仪即经过仪器测量而获得的指标；选择器测量而获得的指标；选择灵敏度高灵敏度高的指标，的指标，选择选择精确性强精确性强的参数作为指标。的参数作为指标。 2）因素）因素对实验指标有影对实验指标有影响的原因或要素响的原因或要素因素也称为因子，它是在进

13、行实验时重因素也称为因子，它是在进行实验时重点考察的内容。点考察的内容。因素一般用大写字母因素一般用大写字母ABC来标记，如来标记，如因素因素A、因素、因素B、因素、因素C等。等。因素分类：因素分类： a)可控可控因素（温度、时间、种类、浓度因素（温度、时间、种类、浓度） b)不可控不可控因素（风速、气温、因素（风速、气温、） 选择因素的原则选择因素的原则 a）抓住主要因素（将影响较大的因素选）抓住主要因素（将影响较大的因素选入试验）同时要考虑因素之间的交互作入试验）同时要考虑因素之间的交互作用。用。b）找出非主要因素，并使其在实验中保）找出非主要因素，并使其在实验中保持不变，以消除其干扰作用

14、。持不变，以消除其干扰作用。 3）水平水平因素在实验中所因素在实验中所处的不同状态处的不同状态 选择水平的原则：选择水平的原则： 水平宜取三水平为宜水平宜取三水平为宜 水平应是等间隔的原则水平应是等间隔的原则 水平是具体的水平是具体的 水平的选择必须在技术上现实可行。水平的选择必须在技术上现实可行。举例例例1：某化工工程师欲研究化学反应温度：某化工工程师欲研究化学反应温度（60、70、80）、反应时间（）、反应时间（1h、1.5h、2h）、催化剂用量（）、催化剂用量（2kg、2.5kg、3kg）对产品产量（指标）的影响，根据找出）对产品产量（指标）的影响，根据找出的规律，确立最佳生产条件。的规

15、律，确立最佳生产条件。例例2：考察：考察3种不同类型的电路对某种自动开种不同类型的电路对某种自动开关的响应时间（关的响应时间（ms）的影响）的影响 指标：响应时间指标：响应时间 因素：电路类型因素：电路类型 水平：水平：、举 例例例3：研究纸浆中木材浓度的分率、容器：研究纸浆中木材浓度的分率、容器的压强、煮浆时间对纸张强度的影响。的压强、煮浆时间对纸张强度的影响。 指标指标：纸张强度：纸张强度 因素及水平：因素及水平： 纸浆中木材浓度的分率纸浆中木材浓度的分率(%) 2、4、8 容器的压强容器的压强 (kPa) 400、500、650 煮浆时间煮浆时间 (h) 3、4举 例例例4 4：直接过滤

16、实验中，欲考察混凝剂硫酸铝：直接过滤实验中，欲考察混凝剂硫酸铝投量，助剂聚丙烯酰胺投量，滤速对过滤周期投量，助剂聚丙烯酰胺投量，滤速对过滤周期平均出水浊度的影响。平均出水浊度的影响。 实验实验指标指标：过滤周期平均出水浊度：过滤周期平均出水浊度 因素及水平：因素及水平： 混凝剂投量（混凝剂投量（mg/Lmg/L）（）（ 1010、1212、1 1） 助凝剂投量（助凝剂投量（mg/Lmg/L）（）（0.080.08、0.150.15、0.300.30） 滤滤 速（速（m/hm/h） （8 8、1010、1212）4实验设计方法实验设计方法针对不同的具体情况，有不同的实验设计方法。针对不同的具体情

17、况，有不同的实验设计方法。单因素试验设计单因素试验设计双因素试验设计双因素试验设计正交实验设计正交实验设计各种试验方法的目的、出发点各不相同。各种试验方法的目的、出发点各不相同。5实验方案设计的步骤实验方案设计的步骤明确实验目的，确定实验指标。明确实验目的，确定实验指标。挑选因素，选取水平。挑选因素，选取水平。选定实验设计方法。选定实验设计方法。 实验点安排。实验点安排。6强烈推荐掌握的强烈推荐掌握的几类实验方案设计几类实验方案设计1) factorial design (FD)2) central composite rotatable design (CCRD)3) Doehlert matrix (DM)4) Response surface methodology (RSM)