第一章 試驗(yàn)設(shè)計(jì)概述.ppt

第一章試驗(yàn)設(shè)計(jì)概述 1 1試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念與意義 科研和生產(chǎn)實(shí)踐工作中總需要對(duì)所取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 必要時(shí)建立相應(yīng)的模型 以便于控制和預(yù)測(cè) 或了解過(guò)程的機(jī)理 同時(shí)試驗(yàn)前必需進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方案的設(shè)計(jì) 一方面減少試驗(yàn)工作量 另一方面可以減少數(shù)據(jù)處理工作量 以最小的試驗(yàn)工作量 得到最可靠的信息 這些都要求用 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 這門(mén)課所講述方法和手段來(lái)實(shí)現(xiàn) 本課程是一門(mén)應(yīng)用性極強(qiáng)的課程 是一門(mén)科研 工具 教程 試驗(yàn)設(shè)計(jì)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)分支 它是以概率論 數(shù)理統(tǒng)計(jì) 線性代數(shù)等為理論基礎(chǔ) 科學(xué)地設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案 正確合理地分析試驗(yàn)結(jié)果 以較少的試驗(yàn)工作量和較低的成本獲取足夠 可靠的有用信息 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容 哪個(gè)因素對(duì)特征值影響較大 如何影響 如何設(shè)置各因素的水平 使特征值接近預(yù)期的期望值 如何設(shè)置各因素的水平 使特征值的方差 波動(dòng) 最小 如何設(shè)置可控因素的水平 使非可控因素的影響最小 一 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本概念 試驗(yàn)設(shè)計(jì)可幫助我們有效解決以下問(wèn)題 1 科學(xué)合理地安排試驗(yàn) 減少試驗(yàn)次數(shù) 縮短試驗(yàn)周期 提高效益 當(dāng)因素水平較多時(shí)效果更為顯著 2 能在眾多影響因素中分清主次 找出影響指標(biāo)的主要因素 3 分析研究因素之間交互作用影響的大小 4 可分析出試驗(yàn)誤差影響的大小 提高試驗(yàn)的精度 5 能盡快找出較優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)或工藝條件 并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析 比較 找出達(dá)到最優(yōu)方案進(jìn)一步試驗(yàn)的方向 6 能對(duì)最優(yōu)方案的指標(biāo)值進(jìn)行預(yù)測(cè) 二 課程的性質(zhì)和任務(wù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)通用技術(shù) 是當(dāng)代科技和工程技術(shù)人員必須掌握的技術(shù)方法 通過(guò)本課程的學(xué)習(xí) 熟悉并掌握近代最常用 最有效的幾種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的基本原理及其應(yīng)用 如方差分析 回歸分析 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等 培養(yǎng)設(shè)計(jì)和組織試驗(yàn)方案的初步能力以及分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理數(shù)據(jù)的基本能力 三 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法起源 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思想和方法是英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家費(fèi)歇爾 R A Fisher 1890 1962 于20世紀(jì)20年代創(chuàng)立的 他是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的奠基人并對(duì)其后的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析的發(fā)展大致可劃分為三個(gè)歷史階段 早期 傳統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段 約1920年 1950年 費(fèi)歇爾在農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行田間試驗(yàn)的過(guò)程中 對(duì)高產(chǎn)小麥品種遺傳進(jìn)行研究 為減少偶然因素對(duì)試驗(yàn)的影響 他對(duì)各種試驗(yàn)因素的每一水平組合進(jìn)行了試驗(yàn) 并通過(guò)方差分析評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣 用于排除偶然因素的影響 使小麥大幅度增產(chǎn) 1925年 費(fèi)歇爾在 研究工作中的統(tǒng)計(jì)方法 一書(shū)中首次提出了 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 的概念 1935年 費(fèi)歇爾出版了著名的 試驗(yàn)設(shè)計(jì)法 一書(shū) 40年代前后 英 美 蘇等國(guó)家將試驗(yàn)設(shè)計(jì)逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及軍工生產(chǎn)領(lǐng)域 勞尼于40年代提出的多因素試驗(yàn)的部分實(shí)施方法后來(lái)成為現(xiàn)代試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ) 中期發(fā)展階段 約1950年 1970年 以正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)為代表 40年代末 50年代初 以田口玄一 GenichiTaguchi 為代表的日本電訊研究所 EOL 的研究人員在研究電話通訊設(shè)備質(zhì)量時(shí)從英 美引進(jìn)了試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù) 提出了用正交表安排分析試驗(yàn)的 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法 田口玄一 該所的產(chǎn)品 線形彈簧繼電器 有幾十個(gè)特征值和兩千多個(gè)試驗(yàn)變量 經(jīng)7年研制成功 其性能比美國(guó)的同一產(chǎn)品更優(yōu) 雖然其成本僅幾美元 研究費(fèi)用卻用了幾百萬(wàn)美元 創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益高達(dá)幾十億美元 同時(shí)擠垮了美國(guó)的西方電器公司 50年代初 創(chuàng)立了 回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)法 1957年 田口玄一又提出了 信噪比 S N 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 二戰(zhàn)后日本經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的原因之一就是在工業(yè)領(lǐng)域普遍推廣和應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品三次設(shè)計(jì) 因此在日本把正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)稱(chēng)為 國(guó)寶 1959年 G E 博克斯和J S 亨特爾提出了調(diào)優(yōu)操作 EVOP 也稱(chēng)為調(diào)優(yōu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)法 70年代中期 田口玄一提出了 產(chǎn)品三次設(shè)計(jì) 信噪比 S N 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 和 產(chǎn)品三次設(shè)計(jì) 是把正交設(shè)計(jì) 方差分析與產(chǎn)品的質(zhì)量 價(jià)格相聯(lián)系 開(kāi)辟了更為重要 廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 現(xiàn)代試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段 1970年 自70年代開(kāi)始 信噪比試驗(yàn)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品三次設(shè)計(jì)開(kāi)始了實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用 80年代 我國(guó)學(xué)者方開(kāi)泰和王元?jiǎng)?chuàng)立了 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì) 80年代開(kāi)始 田口提出走質(zhì)量工程學(xué)的道路 編著了 質(zhì)量工程學(xué) 叢書(shū) 將質(zhì)量管理 質(zhì)量控制與試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái) 使試驗(yàn)設(shè)計(jì)發(fā)展到了一個(gè)新的水平 1978年 七機(jī)部由于導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的要求 提出了一個(gè)五因素的試驗(yàn) 希望每個(gè)因素的水平數(shù)要多于10 而試驗(yàn)總數(shù)又不超過(guò)50 顯然優(yōu)選法和正交設(shè)計(jì)都不能用 隨后 方開(kāi)泰教授 中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所 和王元院士提出 均勻設(shè)計(jì) 法 這一方法在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中取得了成效 試驗(yàn)設(shè)計(jì)發(fā)展的三個(gè)里程碑 費(fèi)歇爾創(chuàng)立了早期 傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論 方法 正交表的開(kāi)發(fā)及正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用 信噪比試驗(yàn)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品三次設(shè)計(jì)的應(yīng)用 我國(guó)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展情況 50年代開(kāi)始研究 60年代提出觀點(diǎn) 70年代開(kāi)始實(shí)質(zhì)應(yīng)用 80年代提出均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論 一 試驗(yàn)及其類(lèi)型1 試驗(yàn)試驗(yàn)是在人為控制下有目的地進(jìn)行的一種實(shí)踐活動(dòng) 它是根據(jù)研究的目的 利用科學(xué)儀器設(shè)備 人為地控制自然現(xiàn)象 在有利的條件下去研究自然現(xiàn)象 探索自然規(guī)律 一個(gè)試驗(yàn)通常是由輸入 處理 供試體 輸出 觀察響應(yīng) 和無(wú)法避免的隨機(jī)干擾 也是一種輸入 等要素參與而實(shí)現(xiàn)的 1 2試驗(yàn)設(shè)計(jì)的常用術(shù)語(yǔ)及統(tǒng)計(jì)模型 試驗(yàn)的一般模型 輸入可理解為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)過(guò)程或系統(tǒng)的初始狀態(tài) 特征 在一些可控因素和一些不可控因素的影響下 產(chǎn)生一定的輸出 響應(yīng) 該輸出 響應(yīng) 就是試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型 2 試驗(yàn)類(lèi)型根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康募胺绞降牟煌?可分為五種類(lèi)型演示試驗(yàn) 驗(yàn)證試驗(yàn) 比較試驗(yàn) 探索試驗(yàn) 優(yōu)化試驗(yàn) 試驗(yàn)?zāi)康氖歉咝实卣页鲈囼?yàn)問(wèn)題的最優(yōu)化試驗(yàn)條件 二 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的常用術(shù)語(yǔ) 1 試驗(yàn)指標(biāo)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中 根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康亩x定的用來(lái)考察試驗(yàn)效果的特征值稱(chēng)為試驗(yàn)指標(biāo) 如 切削力 切削溫度 工件表面粗糙度 工件加工精度等 可以直接用數(shù)量表示的叫定量指標(biāo) 不能用數(shù)量表示的叫定性指標(biāo) 定性指標(biāo)可以按評(píng)定結(jié)果打分或者評(píng)出等級(jí) 可以用數(shù)量表示 稱(chēng)為定性指標(biāo)的定量化 2 試驗(yàn)因素 對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)可能有影響的原因或要素稱(chēng)為試驗(yàn)因素 它是在試驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)考察的內(nèi)容 如 溫度 時(shí)間 切削速度 進(jìn)給量 背吃刀量等 試驗(yàn)因素分為 定量因素 因素的取值可在某一區(qū)間內(nèi)連續(xù)變化定性因素 因素只能取有限個(gè)類(lèi)別 如產(chǎn)地 品種選擇因素的原則1 因素的數(shù)目要適中2 水平范圍要盡可能大 3 因素的水平 因素所處的不同狀態(tài)稱(chēng)為因素的水平 如 車(chē)削試驗(yàn)中切削速度 進(jìn)給量和背吃刀量所取的每一個(gè)不同數(shù)值稱(chēng)為該因素的一個(gè)水平 用若干種方法測(cè)定同一試樣 此處不同方法也可稱(chēng)為水平 試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中水平的選取原則是 宜選用三水平 以有利于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析 水平通常取等間隔 特殊情況下取對(duì)數(shù)間隔 水平應(yīng)該具體 水平應(yīng)該是可控的 其變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有影響 4 響應(yīng) 或輸出 試驗(yàn)的結(jié)果稱(chēng)為響應(yīng)或輸出 5 隨機(jī)誤差由于試驗(yàn)單元 管理方法 測(cè)試儀器 操作方法等方面不可識(shí)別的 大小方向不同的微小差異所造成的觀測(cè)值與真值之間的偏離 它具有隨機(jī)性 6 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是由某種確定的因素造成的 使測(cè)定結(jié)果偏高或偏低 當(dāng)造成誤差的因素不存在時(shí) 系統(tǒng)誤差自然會(huì)消失 當(dāng)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量時(shí) 它會(huì)重復(fù)出現(xiàn) 三 常用統(tǒng)計(jì)量 極差 極差指的是一組數(shù)據(jù)中的最大值與最小值之差 也稱(chēng)為變異幅 極差反映了一組數(shù)據(jù)的最大離散程度 和與平均值 設(shè)有n個(gè)觀測(cè)值構(gòu)成的一組數(shù)據(jù) 定義 和 平均值 偏差有以下兩種表示方法 觀測(cè)值與平均值之差 由于期望值通常是未知的 因此試驗(yàn)中常使用后者 前者只用于理論分析中 偏差 離差 觀測(cè)值與期望值之差 偏差平方和與自由度 偏差平方和用來(lái)表示一組數(shù)據(jù)的離散程度 通常用表示 不存在期望值時(shí) 存在期望值時(shí) 自由度指的是關(guān)系式中獨(dú)立數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù) 通常用f表示 例如 在計(jì)算偏差平方和的過(guò)程中 若表達(dá)式中使用的是期望值 則f n 若表達(dá)式中使用的是平均值 則因?yàn)榇嬖诩s條件 0 而使獨(dú)立數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)少了一個(gè) 因此f n 1 方差與均方差 方差也稱(chēng)為平均偏