實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)-2012級(jí)

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)冶金工程121班實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本概念一、指標(biāo) 定義：在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，把判斷實(shí)驗(yàn)效果好壞所采用的標(biāo)準(zhǔn)稱為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。 例：在材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中，常把材料的強(qiáng)度與蘇醒等作為主要的試驗(yàn)指標(biāo)。二、因素（或稱因子） 定義：將有可能影響實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的條件，稱為因素。 例：影響合金強(qiáng)度的因素有合金元素的含量，淬火溫度及回火溫度等。三、水平 定義：通常把影響實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的因素加以控制、分組。每個(gè)分組稱為因素水平。 例：合金強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，某合金元素的不同含量、不同的回火溫度等均為相應(yīng)元素的不同水平。什么是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)？什么是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)？實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理 實(shí)驗(yàn)是研究者在某個(gè)研究領(lǐng)域中進(jìn)行的，通常是要發(fā)現(xiàn)關(guān)于一個(gè)特定過程或系統(tǒng)

2、的某些現(xiàn)象和規(guī)律。 一個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是一次試驗(yàn)或一系列試驗(yàn)，它對(duì)一過程或系統(tǒng)的輸入變量作一些有目的的改變，以便能夠觀測(cè)到和識(shí)別出可在輸出響應(yīng)中觀測(cè)到的變化的緣由。實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌ǎ?）確定哪些變量對(duì)y的影響最大；2）確定有影響的x設(shè)置為何值時(shí)可使y幾乎接近于所希望的值；3）確定有影響的x設(shè)置為何值時(shí)可使y的變異性最小；4）確定有影響的x設(shè)置為何值時(shí)可使不可控制的變量的效應(yīng)最小。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，廣義理解是指實(shí)驗(yàn)研究課題設(shè)計(jì)，也就是整個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的擬定。 主要包括課題的名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、研究依?jù)、內(nèi)容及預(yù)期達(dá)到的效果、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)單位的選取、重復(fù)數(shù)的確定、實(shí)驗(yàn)單位的分組、實(shí)驗(yàn)的記錄項(xiàng)目和要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析方

3、法、經(jīng)濟(jì)效益或社會(huì)效益，已具備的條件，需要購(gòu)置的儀器設(shè)備，參加人員的分工，實(shí)驗(yàn)試劑、地點(diǎn)、進(jìn)度安排和經(jīng)費(fèi)預(yù)算，成果鑒定，學(xué)術(shù)論文撰寫等內(nèi)容。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，狹義的理解是指試驗(yàn)單位的選取，重復(fù)數(shù)目的確定及實(shí)驗(yàn)單位的分組。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是避免系統(tǒng)誤差，控制、降低實(shí)驗(yàn)誤差，無偏估計(jì)處理效應(yīng)，從而對(duì)樣本所在總體做出可靠、正確的推斷。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理 重復(fù) 隨機(jī) 區(qū)組化例：想要研究?jī)煞N不同的淬火工藝（油淬和鹽水淬）對(duì)一種鋁合金的效應(yīng)。目的：確定哪種淬火溶液能使得這種特殊合金的硬度最大。方法：對(duì)每種淬火介質(zhì)都提供若干合金試樣并在淬火后測(cè)量試件的硬度。以試樣在每種淬火溶液中處理之后的平均硬度來確定哪一種溶液

4、是最好的。即多個(gè)鋁合金試樣，同時(shí)在每一種淬火溶液中處理多次。一、重復(fù) 即基本實(shí)驗(yàn)的重復(fù)進(jìn)行。（重復(fù)是油淬處理一塊試樣和鹽水淬處理一塊試樣所組成。）重復(fù)的優(yōu)點(diǎn)： 可得到實(shí)驗(yàn)誤差的一個(gè)估計(jì)量； 一定的重復(fù)次數(shù)，可使實(shí)驗(yàn)誤差足夠??；可求得實(shí)驗(yàn)因素的效應(yīng)更為精確的估計(jì)量。二、隨機(jī)化 在上例中，如果試樣厚度稍有差異，而如果所有經(jīng)受油淬的試樣都厚于經(jīng)受鹽水淬的試樣，則淬火介質(zhì)的效應(yīng)與厚度效應(yīng)難以區(qū)分。 方法：給淬火介質(zhì)隨機(jī)的分派試樣。 含義：實(shí)驗(yàn)材料的分配和實(shí)驗(yàn)的各個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的次序，都是隨機(jī)確定的。 優(yōu)點(diǎn)： 隨機(jī)化可使觀測(cè)值（或誤差）是獨(dú)立分布的隨機(jī)變量。 有助于“平均出”可能出現(xiàn)的外來因素的效應(yīng)。三、區(qū)

5、組化 試證明兩臺(tái)同一型號(hào)硬度試驗(yàn)機(jī)對(duì)金屬試樣的測(cè)試結(jié)果是相同的。 一般方法：隨機(jī)選取一批金屬樣品。樣品的一半用試驗(yàn)機(jī)1檢測(cè)，另一半用試驗(yàn)機(jī)2檢測(cè)。（完全隨機(jī)化設(shè)計(jì)） 問題：若樣品之間缺乏均勻性，會(huì)產(chǎn)生硬度數(shù)據(jù)的變異性，增大實(shí)驗(yàn)的誤差，因而試驗(yàn)機(jī)之間的真實(shí)差別就難于檢測(cè)出來。 解決方法：每一塊樣品劃分為兩部分，隨機(jī)的分別用兩臺(tái)試驗(yàn)機(jī)測(cè)定每塊樣品的每一部分?？上龢悠分g的差別帶來的影響。（隨機(jī)化區(qū)組設(shè)計(jì)） 含義：一個(gè)區(qū)組是一個(gè)相對(duì)均勻的實(shí)驗(yàn)單元，是對(duì)完全隨機(jī)化的一種約束，實(shí)驗(yàn)僅僅在區(qū)組內(nèi)部是隨機(jī)化的。 即配對(duì)比較設(shè)計(jì)：更一般的稱為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)類型的特殊情況。 區(qū)組：一個(gè)相對(duì)均勻的實(shí)驗(yàn)單元，

6、并且區(qū)組表示對(duì)完全隨機(jī)化的一個(gè)約束，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)僅僅在區(qū)組內(nèi)部是隨機(jī)化的。 優(yōu)點(diǎn)：可提高實(shí)驗(yàn)精確度。常用實(shí)驗(yàn)方法介紹實(shí)驗(yàn)是科學(xué)方法的一項(xiàng)重要組成部分。 機(jī)理模型：直接由物理原理得到的模型，比如歐姆定律。 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停嚎茖W(xué)和工程中的大多數(shù)問題要求對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)，從而闡明系統(tǒng)運(yùn)行的原因和方式，設(shè)計(jì)良好的實(shí)驗(yàn)通?？梢詫?dǎo)出系統(tǒng)運(yùn)行的模型，這種由實(shí)驗(yàn)決定的模型稱作經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。一、全面?shí)驗(yàn)法 定義：把全部因素的所有水平都一一搭配起來，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選擇因子的任意組合。測(cè)試它們，觀測(cè)發(fā)生了什么。每次實(shí)驗(yàn)改變一個(gè)或兩個(gè)因子的水平，這種方法幾乎可以無限期的繼續(xù)下去，稱為最佳猜測(cè)法。 分析： 通過全面實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘页?/p>

7、最好的搭配方案。 費(fèi)時(shí)費(fèi)工，有時(shí)甚至不可能實(shí)現(xiàn)。 除了一些簡(jiǎn)單的情況外，一般不進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)。二、一次一因子（簡(jiǎn)單對(duì)比法）。 簡(jiǎn)單對(duì)比法是每次實(shí)驗(yàn)時(shí)只變化其中一個(gè)因素的水平，其余的固定，然后逐步的得到最優(yōu)方案的實(shí)驗(yàn)方法。對(duì)每個(gè)因子選擇初始點(diǎn)，或者水平的初始組合，然后在保持其他因子在初始水平不變的條件下，讓每一個(gè)因子在其所允許的范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)變動(dòng)。當(dāng)所有實(shí)驗(yàn)都做完后，就可以做出一系列的圖形，來顯示響應(yīng)變量如何受各個(gè)單因子變化（即保持其他因子不變）的影響。 分析： 沒有考慮因子間可能存在的交互作用。 簡(jiǎn)單對(duì)比法比全面實(shí)驗(yàn)的次數(shù)少。 各因素的水平參加實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)不均等。 固定因素的先后次序及水平大小都會(huì)

8、影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 “最優(yōu)方案”是否最優(yōu)，難以充分肯定。三、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 處理多個(gè)因子的正確方法是析因?qū)嶒?yàn)，是所有因子一次變化，而不是一次變一個(gè)。 然后進(jìn)行正交分析。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指南1）問題的識(shí)別與表述如何提問！2）響應(yīng)變量的選擇測(cè)量特性的平均值或標(biāo)準(zhǔn)差3）因子、水平和范圍的選擇變化條件和變化范圍4）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的選擇如何實(shí)驗(yàn)（方案制定）5）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)按計(jì)劃進(jìn)行6）數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析科學(xué)結(jié)果處理7）結(jié)論和建議結(jié)果的應(yīng)用1）問題的識(shí)別與表述 明確的陳述問題通常有助于更好的理解正在研究的對(duì)象以及問題的最終解決方案。考慮： 是否是一個(gè)新的過程或者系統(tǒng)？ 系統(tǒng)是否能被優(yōu)化？實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)確認(rèn)確認(rèn)如果開發(fā)新

9、的材料、變?nèi)绻_發(fā)新的材料、變量、運(yùn)行條件等，將會(huì)量、運(yùn)行條件等，將會(huì)發(fā)生什么？發(fā)生什么？系統(tǒng)運(yùn)行的方式是否系統(tǒng)運(yùn)行的方式是否與以前一樣？與以前一樣？穩(wěn)健性穩(wěn)健性在什么條件下響應(yīng)變量在什么條件下響應(yīng)變量受因子的影響?。渴芤蜃拥挠绊懶?？2）響應(yīng)變量的選擇 所謂響應(yīng)就是試驗(yàn)的觀察或結(jié)果。選擇響應(yīng)變量時(shí)試驗(yàn)者應(yīng)確信這個(gè)變量真正會(huì)對(duì)研究的過程提供有用的信息。 通常取測(cè)量特性的平均值或標(biāo)準(zhǔn)差為響應(yīng)變量在選擇響應(yīng)變量時(shí)。3）因子、水平和范圍的選擇 因素可以是定量的也可以是定性的，如時(shí)間、溫度、壓力等均可在一個(gè)連續(xù)區(qū)域內(nèi)取值的因素叫做定量因素。 而操作模式、供應(yīng)商、位置、生產(chǎn)線等都是定性因素的例子。 因素和

10、水平選擇的重要原則是不能遺漏所有對(duì)響應(yīng)影響可能是重要的因素，不能受過去經(jīng)驗(yàn)的過分影響，特別是在試驗(yàn)的早期階段或工序尚未成熟時(shí)。當(dāng)目的是因素篩選或過程特征化時(shí)，通常最好保持較低的因素和水平。4）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的選擇 在進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，重要的是，思想上總要想著試驗(yàn)的目的。一個(gè)不好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可能只獲得極少的信息，而一個(gè)精心安排好的設(shè)計(jì)試驗(yàn)可能會(huì)使結(jié)果變得清晰明白，而且不需要進(jìn)行太復(fù)雜的分析。5）進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 必要時(shí)可先做一個(gè)嘗試性的試驗(yàn)，看看因素設(shè)置與響應(yīng)測(cè)量有否問題。在試驗(yàn)中任何與試驗(yàn)計(jì)劃有偏離的內(nèi)容都必須記錄下來，謹(jǐn)慎監(jiān)視試驗(yàn)的過程以確保按計(jì)劃實(shí)施試驗(yàn)過程。6）數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析 在數(shù)據(jù)解釋中，簡(jiǎn)單的圖解法往往是首選的方法。分析數(shù)據(jù)包括模型的擬合、通過殘差分析評(píng)估模型的假定。統(tǒng)計(jì)方法不能證明一個(gè)因素（或幾個(gè)因素）有特殊的效應(yīng)。7）結(jié)論和建議 基于數(shù)據(jù)分析，最終得出某些推斷或結(jié)論。結(jié)論包括識(shí)別的重要因素以及這些重要因素對(duì)響應(yīng)所建立的模型，也可包括給出關(guān)于這些重要因素好的水平組合設(shè)置的建議。 有時(shí)必要時(shí)再做一個(gè)驗(yàn)證性試驗(yàn)，以驗(yàn)證推薦的水平組合是否真的好。 結(jié)論