(精品)科学实验方法

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,万 熠,88392746,科学实验设计与分析,1,2,3,科学实验概述,科学实验策略,主 要 内 容,2,科学实验设计（,Design of Experiment,）,4,科学实验分析,一个例子,假设一位冶金工程师想要研究两种不同的淬火工艺（油淬、盐淬）对一种铝合金的效应。实验者的目的是确定哪种淬火溶液能使得种特殊合金的硬度最大。工程师决定对每种淬火介质都提供若干合金试件并在淬火后测量试件的硬度。以试件在每种淬火溶液中处理之后的平均硬度来确定哪一种溶液是最好的。,考虑这样一项简单的实验时，有很多重要的问题需要思考：,一个例子,要研究的淬火介质只有这两种溶液么？,在这项实验中，有没有其他可能影响硬度的因子应该被研究或被控制呢？（比如，淬火介质的温度）？,每种淬火溶液中应该检测多少块合金试件呢？,怎样把试件分配给淬火溶液？又应该按什么次序来收集数据？,应该用什么样的数据分析方法？,两种淬火介质间的平均观测硬度之差是多大时将被认为是重要的？,其他几个例子,一种刀具材料的制备方法；,切削加工参数对表面粗糙度的影响；,装夹对变形的影响；,。,科学实验概述,实验？试验？,一次实验（,experiment,）就是一次试验（,test,）或一系列试验，在实验中通过对某一过程或系统的输入变量作一些有目的的改变，以便能够观测到和识别出可在输出响应中观测到的变化的缘由。,重点关注工程学和科学方面的实验。实验在包括新产品设计和配方、制造过程（,process,）及过程改进在内的产品实现中起着重要的作用。多数情况下是为了开发一种稳健（,robust,）的过程，即受外部变异性来源影响最小的过程。,科学实验概述,试验设计是优化产品和过程设计、加速设计开发周期、降低开发成本、改善从研发、设计到制造过程的产品转换和解决制造问题的强有力工具。,如今，试验设计被看作一个以总成本最低取得产品卓越性能的品质技术,。,科学实验概述,实验是科学（或工程）方法的一项重要组成部分。有时，由于对科学现象理解得比较透彻，直接应用这些简单的原理就能得到包括数学模型的有用结果，直接由物理原理得到的模型叫机理模型（,mechanistic model,）。比如，欧姆定律,:E=IR,但是，科学和工程的大多数问题要求对系统的运行进行观测（,observation,）和实验，从而阐明系统运行的原因和方式。设计良好的实验常常可以导出系统运行的模型，这种由实验决定的模型称作经验模型（,empirical model,）。,过程或系统的一般模型,統計技術在 生產/制造過程 中的應用是對 過程中輸入 的變量 (人,机,料,法,環)進行有目的地优化,使輸出的結果更加理想.,实驗設計,是其中較為有效的一种工程工具.,通过实验进行,优化设计,通過實驗,控制其不良,的影響程度,实验设计的意义:,应用数理统计学的基本知识，讨论如何合理地安排试验、取得数据，然后进行综合科学分析，从而尽快获得最优组合方案。在工程学领域是改进制造过程性能的非常重要的手段。在开发新工序中亦有着广泛的应用。,在工序开发的早期应用实验设计方法能得出以下成果：,1.提高产量；,2.减少变异性，与额定值或目标值更为一致；,3.减少开发时间；,4.减少总成本；,实验设计的意义及其发展过程,进行实验设计的意义及其发展过程,实验设计的发展过程:,试验设计,始于20世纪20年代，其发展过程大致可分为三个阶段：,1.早期的方差分析法:20世纪20年代由英国生物统计学 家、数学家费歇(,R.A.,Fisher)提出的，开始主要应用于农业、生物学、遗传学方面，取得了丰硕成果。二战期间，英、美采用这种方法在工业生产中取得显著效果；,2.传统的正交试验设计法：以日本的田口玄一为代表；,3.信噪比试验设计与三阶段设计：1957年，田口玄一提出信噪比,设计法和产品的三阶段设计法。他把信噪比设计和正交表设计、方,差分析相结合，开辟了更为重要、更为广泛的应用领域。,科学实验设计方法,实验设计所采用的办法和途径。其方法有：,(1),单组比较法，又叫“自身前后对照法。是以个体自身进行试验后与试验前作对照比较；,(2),组间比较法，又叫“多组对比法”。它是格两组或多组初始条件相同或基本相同的个体，经过试验后，对其各组间作对照比较；,(3),配对比较法，又叫“成对比较法”。它是将条件基本一致的对象组合成一对对的对子，分成两大组，一组作试验一组作对照，进行比较；,科学实验设计方法,(4),随机分组法又叫“配伍设计”。将受试对象随机抽样，分别安排在苦干个试验区组内，接受不同的施加因素，最后按统一规定的现察指标的实际效果来比较各个分组试验的效应优劣，,(5),循环式设计法。它是对两组或两组以上的试验的对象在同一时间内分别接受不同的施加因素，然后定量轮换，最后分别测取试验效应来作比较；,（,6,）正交拉丁方设计法又叫“正交试验法”。这是一种研究与处理多因素、多水平试验的科学方法，它能省时省力、节省物力、财力，并能找出试验各因素的主次关系及极重比例，最后得出最佳的试验方案。,课程安排,第一讲：正交试验,第二讲：方差分析(,ANOVA),第三讲：正交试验的方差分析,第一讲：正交试验,第一节：实验设计的意义及其发展过程,第二节：正交试验、正交表及其用法,第三节：混合水平的正交试验设计,第四节：有交互作用的正交试验设计,为什么要进行正交试验:,在实际生产中，影响试验的因素往往是多方面的，我们要考察各因,素对试验影响的情况。在多因素、多水平试验中，如果对每个因素,的每个水平都互相搭配进行全面试验，需要做的试验次数就会很多.,比如对3因素7水平的试验，如果3因素的各个水平都互相搭配进行,全面试验，就要做7,3,=343次试验，对6因素7水平，进行全面试,验要做7,6,=117649次试验。这显然是不经济的。,我们应当在不影响试验效果的前提下，尽可能地减少试验次数。正,交设计就是解决这个问题的有效方法。,正交设计的主要工具是正交表。,第二节：正交试验、正交表及其用法,右,图,是一個比,较,典型,的正交表.,“,L,”,表示此,为,正交表,“,8,”,表示試驗次數,“,2,”,表示兩水平,“,7,”,表示試驗最多可,以有7個因素 (包括單個因素及其交互作用).,第二节：正交试验、正交表及其用法,正交表:,正交表的表示方法:,一般的正交表记为,L,n,(,m,k,)，n是表的行数，也就是要安排的试验数;,k 是表中的列数，表示因素的个数；m 是各因素的水平数；,常见的正交表:,2水平的有,L,4,(2,3,),L,8,(2,7,),L,12,(2,11,),L,16,(2,15,)等；,3水平的有 L,9,(3,4,),L,27,(3,13,)等；,4水平的有 L,15,(4,5,);,5水平的有 L,25,(5,6,);,第二节：正交试验、正交表及其用法,正交表的两条重要性质:,1)每列中不同数字出现的次数是相等的，如,L,9,(3,4,)中，每列中不同的,数字是1，2，3，它们各出现3次；,第二节：正交试验、正交表及其用法,2)在任意两列中，将同一行的两个,数字看成一个有序数对，则每一数对出现的次数是相等的，如,L,9,(3,4,),中有序数对共有9个:(1,1),(1,2),(1,3),(2,1),(2,2),(2,3),(3,1),(3,2),(3,3),它们各出现一次。,所以，用正交表来安排试验时，各因素的各种水平的搭配是均衡的，这是正交表的优点。,例1：(单指标的分析方法),某炼铁厂为提高铁水温度，需要通过试验选择最好的生产方案,经初步分析，主要有3个因素影响铁水温度，它们是焦比、风,压和底焦高度，每个因素都 考虑3个水平，具体情况见表。问,对这3个因素的3个水平如何安排，才能获得最高的铁水温度?,第二节：正交试验、正交表及其用法,解：如果每个因素的每个水平都互相搭配着进行全面试验，必,须做试验3,3,=27次。现在我们使用,L,9,(3,3,),正交表来安排试验。,第二节：正交试验、正交表及其用法,我们按选定的9个试验进行试验，并将每次试验测得的铁水温,度记录下来：,为了便于分析计算，我们把这些温度值和正交表列在一起组成,一个新表。另外，由于铁水温度数值较大，我们把每一个铁水,温度的值都减去1350，得到9个较小的数，这样使计算简单。,第三节：正交试验、正交表及其用法,分析表,第二节：正交试验、正交表及其用法,解释：,K,1,这一行的3个数分别是因素,A,B,C,的第1水平所在的试验中对应的铁水温度之和;,K,2,这一行的3个数分别是因素,A,B,C,的第2水平所在的试验中对应的铁水温度之和;,K,3,这一行的3个数分别是因素,A,B,C,的第3水平所在的试验中对应的铁水温度之和;,k,1,k,2,k,3,这3行的3 个数，分别是,K,1,K,2,K,3,这3行中的3个数的平均值；,极差是同一列中，,k,1,k,2,k,3,3个数中的最大者减去最小者所得的差。极差越大，说,明这个因素的水平改变时对试验指标的影响越大。极差最大的那一列，就是那个,因素的水平改变时对试验指标的影响最大，那个因素就是我们要考虑的主要因素.,通过分析可以得出：各因素对试验指标(铁水温度)的影响按大小次序应当是,C(,底,焦高度),A(,焦比),B(,风压)；最好的方案应当是,C2A3B2。,与此结果比较接近的是第9,号试验。,为了最终确定上面找出的试验方案是不是最好的，可以按这个方案再试验一次，,并同第9号试验相比，取效果最佳的方案。,第二节：正交试验、正交表及其用法,例2：(多指标的分析方法-综合平衡法),为提高某产品质量，要对生产该产品的原料进行配方试验。要,检验3项指标：抗压强度、落下强度 和裂纹度，前2个指标越大,越好，第3个指标越小越好。根据以往的经验，配方中有3个重,要因素：水分、粒度和碱度。它们各有3个水平。试进行试验分,析，找出最好的配方方案。,第二节：正交试验、正交表及其用法,解：我们选用正交表,L,9,(3,3,),来安排试验。,第三节：正交试验、正交表及其用法,A,水分,B,粒度,C,碱度,k3,k3,k3,k3,k3,k3,k3,k3,k3,k1,k1,k1,k1,k1,k1,k1,k1,k1,k2,k2,k2,分析：,1)粒度,B,对抗压强度和落下强度来讲，极差都是最大的，说明它是影,响最大的因素，而且以取8为最好；对裂纹度来讲，粒度的极差不,是最大，不是影响最大的因素，而且也以取8为最好；,2)碱度,C,对三个指标的极差都不是最大的，是次要的因素。对抗压,强度和裂纹度来讲，碱度取1.1最好；对落下强度，取1.3最好，但取,1.1也不是太差，综合考虑碱度取1.1；,3)水分,A,对裂纹度来讲是最大的因素，以取9为最好；但对抗压强度,和落下强度来讲，水分的极差都是最小的，是影响最小的因素。综,合考虑水分取9；,最后较好的试验方案是,B,3,C,1,A,2,第二节：正交试验、正交表及其用法,例3：(多指标的分析方法-综合评分法),某厂生产一种化工产品，需要检验两下指标：核酸统一纯度和,回收率，这两个指标都是越大越好。有影响的因素有4个，各,有3个水平。试通过试验分析找出较好的方案,解：这是4因素3水平的试验，可以选用正交表,L,9,(3,4,)。,试验结,果如表。,第二节：正交试验、正交表及其用法,第二节：正交试验、正交表及其用法,总分=4,x,纯度+1,x,回收率,分析：,1)根据综合评分的结果，直观上第1号试验的分数最高，应进一步分,析它是不是最好的试验方案；,2)通过直观分析法可以得知，最好的试验方案是,A,1,B,3,C,2,D,1,。A，D,两个因素的极差都很大，是对试验影响较大的两个因素；,3)分析出来的最好方案，在已经做