實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理ppt

1、第一章第一章 概論概論一、一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程的目的、意義課程的目的、意義任何自然科學(xué)都離不開實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)學(xué)科（化工、化學(xué)、輕工、任何自然科學(xué)都離不開實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)學(xué)科（化工、化學(xué)、輕工、材料、環(huán)境、醫(yī)藥、熱工等）中的概念、原理和規(guī)律大多由實(shí)驗(yàn)材料、環(huán)境、醫(yī)藥、熱工等）中的概念、原理和規(guī)律大多由實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)和論證的。推導(dǎo)和論證的。如最佳的配方、工藝條件，產(chǎn)品性能的優(yōu)化，對如最佳的配方、工藝條件，產(chǎn)品性能的優(yōu)化，對產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量作出評價(jià)等。產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量作出評價(jià)等?！皩?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”課程是以概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)、專業(yè)技術(shù)知課程是以概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)、專業(yè)技術(shù)

2、知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)、科學(xué)地安排試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)、科學(xué)地安排試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，最終達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)周期、迅速找到行計(jì)算分析，最終達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)周期、迅速找到優(yōu)化方案的一種科學(xué)計(jì)算方法。它主要應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)優(yōu)化方案的一種科學(xué)計(jì)算方法。它主要應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過程中的科學(xué)試驗(yàn)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、質(zhì)量管理和科學(xué)研究的重研究過程中的科學(xué)試驗(yàn)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、質(zhì)量管理和科學(xué)研究的重要工具和方法。要工具和方法。通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生掌握試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基本原理，通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生掌握試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基本原理，并能針對實(shí)

3、際問題正確地運(yùn)用。學(xué)好本課程，為將來從事各專業(yè)并能針對實(shí)際問題正確地運(yùn)用。學(xué)好本課程，為將來從事各專業(yè)科學(xué)研究打下基礎(chǔ)?？茖W(xué)研究打下基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域道路橋梁 工業(yè)產(chǎn)品（一）實(shí)驗(yàn)的分類（一）實(shí)驗(yàn)的分類 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：對已知的理論進(jìn)行驗(yàn)證，以加深：對已知的理論進(jìn)行驗(yàn)證，以加深對理論的認(rèn)識對理論的認(rèn)識 探索性實(shí)驗(yàn)探索性實(shí)驗(yàn)：為了揭示尚未完全認(rèn)識的事物，：為了揭示尚未完全認(rèn)識的事物，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律，以完成工程與科研發(fā)現(xiàn)其發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律，以完成工程與科研任務(wù)，具有很強(qiáng)的探索性任務(wù)，具有很強(qiáng)的探索性 （工程中經(jīng)常碰到）（工程中經(jīng)常碰到） （二）實(shí)驗(yàn)過程（二）實(shí)驗(yàn)過程 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)實(shí)

4、驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理 1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 提出問題，弄清實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)提出問題，弄清實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo) 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)） 擬訂實(shí)驗(yàn)大綱擬訂實(shí)驗(yàn)大綱 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測試儀器的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測試儀器的準(zhǔn)備 2實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) （1）測試）測試 （2）記錄）記錄 3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理 通過一定的方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，去偽存真，通過一定的方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，去偽存真，提煉出我們需要的信息，以發(fā)現(xiàn)事物的規(guī)律。提煉出我們需要的信息，以發(fā)現(xiàn)事物的規(guī)律。 4提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或科研報(bào)告提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或科研報(bào)告二、主要內(nèi)容二、主要內(nèi)容 1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 單因素

5、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（均分法，對分法，單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（均分法，對分法，0.618法，法，分?jǐn)?shù)法）分?jǐn)?shù)法） 雙因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)雙因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)） 2數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)誤差分析實(shí)驗(yàn)誤差分析 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（直觀分析法、方差分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（直觀分析法、方差分析、回歸分析）回歸分析）參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 鄭少華、姜奉華鄭少華、姜奉華試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理，中國建，中國建材工業(yè)出版社，材工業(yè)出版社，20042004年年3 3月第月第1 1版，版，51.727/z42951.727/z429 （適合材料科學(xué)與工程、化工、機(jī)

6、械、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等（適合材料科學(xué)與工程、化工、機(jī)械、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等專業(yè)）專業(yè)） 方萍、何延方萍、何延試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)，浙江大學(xué)出版社，浙江大學(xué)出版社，20032003年年6 6月第月第1 1版版 （適合環(huán)境與資源相關(guān)專業(yè)、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、（適合環(huán)境與資源相關(guān)專業(yè)、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、醫(yī)學(xué)）醫(yī)學(xué)） 美美douglas c.montgomerydouglas c.montgomery著著實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析 中國統(tǒng)計(jì)出版社，中國統(tǒng)計(jì)出版社，19981998年年6 6月第月第1 1版（電工等專業(yè)版（電工等專業(yè) ） 楊德楊德試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，中國農(nóng)業(yè)出版社，中國農(nóng)業(yè)出版

7、社 王萬中王萬中試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析，高等教育出版社，高等教育出版社第二章第二章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 第一節(jié)第一節(jié) 概概 論論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是指為節(jié)省人力、財(cái)力、迅速找到最佳條件，揭示事物內(nèi)是指為節(jié)省人力、財(cái)力、迅速找到最佳條件，揭示事物內(nèi)在規(guī)律，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中不同問題，在實(shí)驗(yàn)前利用數(shù)學(xué)原理科學(xué)編排實(shí)驗(yàn)的在規(guī)律，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中不同問題，在實(shí)驗(yàn)前利用數(shù)學(xué)原理科學(xué)編排實(shí)驗(yàn)的過程。過程。以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，為獲得可靠試驗(yàn)結(jié)果和有用信息，以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，為獲得可靠試驗(yàn)結(jié)果和有用信息，科學(xué)安排試驗(yàn)的一種方法論，亦是研究如何高效而經(jīng)濟(jì)地獲取所需要的科學(xué)安排試驗(yàn)的一種方法論，

8、亦是研究如何高效而經(jīng)濟(jì)地獲取所需要的數(shù)據(jù)與信息的方法。數(shù)據(jù)與信息的方法。正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅節(jié)省人力，物力和時(shí)間，并且是得到可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅節(jié)省人力，物力和時(shí)間，并且是得到可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要保證。即保證。即經(jīng)過設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，效果大大提高，與不經(jīng)過設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)相比，經(jīng)過設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，效果大大提高，與不經(jīng)過設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)相比，情況大不相同。情況大不相同。廣義上說，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定測定參數(shù)，確定需要控制或改變的廣義上說，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定測定參數(shù)，確定需要控制或改變的條件，選擇實(shí)驗(yàn)方法和測試儀器，確定實(shí)測精度要求，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理?xiàng)l件，選擇實(shí)驗(yàn)方法和測試儀

9、器，確定實(shí)測精度要求，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理步驟等。步驟等。1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展過程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展過程 20世紀(jì)初：英國生物統(tǒng)計(jì)學(xué)家費(fèi)歇爾（世紀(jì)初：英國生物統(tǒng)計(jì)學(xué)家費(fèi)歇爾（1890-1962）首次提出了首次提出了“試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)”術(shù)語。術(shù)語。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法最早應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、遺傳學(xué)方面。在農(nóng)業(yè)方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法最早應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、遺傳學(xué)方面。在農(nóng)業(yè)方面主要是進(jìn)行品種對比、施肥對比等。面主要是進(jìn)行品種對比、施肥對比等。 2020世紀(jì)世紀(jì)4040年代，英美兩國開始在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，如改變原料配年代，英美兩國開始在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，如改變原料配比或工藝生產(chǎn)條件，尋找最佳工況。比或工藝生產(chǎn)條件，尋找最佳

10、工況。 50、60年代：日本田口玄年代：日本田口玄博士創(chuàng)造了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)博士創(chuàng)造了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。法。日本電訊研究所研制的日本電訊研究所研制的“線形彈簧繼電器線形彈簧繼電器”，使電話機(jī)收聽效果，使電話機(jī)收聽效果大為改進(jìn)，為日本電訊事業(yè)的發(fā)展起到了不可估量的作用。大為改進(jìn)，為日本電訊事業(yè)的發(fā)展起到了不可估量的作用。50年代：我國中科院數(shù)學(xué)研究所年代：我國中科院數(shù)學(xué)研究所在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)、在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)、理論和方法上有了新的創(chuàng)見，理論和方法上有了新的創(chuàng)見，編制了編制了一套較為適用的一套較為適用的正交表正交表，簡化了實(shí)驗(yàn)程序和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方法。，簡化了實(shí)驗(yàn)程序和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方法。 目前，實(shí)

11、驗(yàn)設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。目前，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本宗旨實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本宗旨 最大限度地提高實(shí)驗(yàn)最大限度地提高實(shí)驗(yàn)效率效率 最大限度地提高實(shí)驗(yàn)最大限度地提高實(shí)驗(yàn)精度精度 3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本要素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本要素 指標(biāo)指標(biāo) 用來衡量試驗(yàn)效果好壞的特征值。用來衡量試驗(yàn)效果好壞的特征值。 因素因素 對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有影響的原因或要素。對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有影響的原因或要素。 水平水平 因素在實(shí)驗(yàn)中所處的不同狀態(tài)，可因素在實(shí)驗(yàn)中所處的不同狀態(tài)，可 能引起指標(biāo)的變化。能引起指標(biāo)的變化。1）指標(biāo)）指標(biāo)用來衡量試驗(yàn)效用來衡量試驗(yàn)效果好壞的特征值果好壞的特征值 指標(biāo)分類：指標(biāo)分類： a)定量定量指標(biāo)（數(shù)量

12、指標(biāo)，如強(qiáng)度、重量、產(chǎn)量、指標(biāo)（數(shù)量指標(biāo)，如強(qiáng)度、重量、產(chǎn)量、合格率、成活率、廢品率、轉(zhuǎn)化率等。）合格率、成活率、廢品率、轉(zhuǎn)化率等。） b)定性定性指標(biāo)指標(biāo) （非數(shù)量指標(biāo)，如顏色、味道、（非數(shù)量指標(biāo)，如顏色、味道、光澤等）光澤等） 指標(biāo)的選擇要求：指標(biāo)的選擇要求： 選擇選擇客觀性強(qiáng)客觀性強(qiáng)的指標(biāo)，選擇的指標(biāo)，選擇易于量化易于量化即經(jīng)過儀即經(jīng)過儀器測量而獲得的指標(biāo)；選擇器測量而獲得的指標(biāo)；選擇靈敏度高靈敏度高的指標(biāo)，的指標(biāo)，選擇選擇精確性強(qiáng)精確性強(qiáng)的參數(shù)作為指標(biāo)。的參數(shù)作為指標(biāo)。 2）因素）因素對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有影對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有影響的原因或要素響的原因或要素 因素也稱為因子，它是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)重因素也稱為

13、因子，它是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)考察的內(nèi)容。點(diǎn)考察的內(nèi)容。 因素一般用大寫字母因素一般用大寫字母abc來標(biāo)記，來標(biāo)記，如因素如因素a、因素、因素b、因素、因素c等。等。 因素分類：因素分類： a)可控可控因素（溫度、時(shí)間、種類、濃因素（溫度、時(shí)間、種類、濃度度） b)不可控不可控因素（風(fēng)速、氣溫、因素（風(fēng)速、氣溫、） 選擇因素的原則選擇因素的原則 a）抓住主要因素（將影響較大的因素選）抓住主要因素（將影響較大的因素選入試驗(yàn)）同時(shí)要考慮因素之間的交互作入試驗(yàn)）同時(shí)要考慮因素之間的交互作用。用。 b）找出非主要因素，并使其在實(shí)驗(yàn)中）找出非主要因素，并使其在實(shí)驗(yàn)中保持不變，以消除其干擾作用。保持不變，以消

14、除其干擾作用。 3）水平水平因素在實(shí)驗(yàn)中所因素在實(shí)驗(yàn)中所處的不同狀態(tài)處的不同狀態(tài) 選擇水平的原則：選擇水平的原則： 水平宜取三水平為宜水平宜取三水平為宜 水平應(yīng)是等間隔的原則水平應(yīng)是等間隔的原則 水平是具體的水平是具體的 水平的選擇必須在技術(shù)上現(xiàn)實(shí)可行。水平的選擇必須在技術(shù)上現(xiàn)實(shí)可行。舉例 例例1：某化工工程師欲研究化學(xué)反應(yīng)溫度：某化工工程師欲研究化學(xué)反應(yīng)溫度（60、70、80）、反應(yīng)時(shí)間（）、反應(yīng)時(shí)間（1h、1.5h、2h）、催化劑用量（）、催化劑用量（2kg、2.5kg、3kg）對產(chǎn)品產(chǎn)量（指標(biāo)）的影響，根據(jù)找出）對產(chǎn)品產(chǎn)量（指標(biāo)）的影響，根據(jù)找出的規(guī)律，確立最佳生產(chǎn)條件。的規(guī)律，確立最佳

15、生產(chǎn)條件。 例例2：考察：考察3種不同類型的電路對某種自動開種不同類型的電路對某種自動開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間（關(guān)的響應(yīng)時(shí)間（ms）的影響）的影響 指標(biāo)：響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)：響應(yīng)時(shí)間 因素：電路類型因素：電路類型 水平：水平：、舉 例 例例3：研究紙漿中木材濃度的分率、容：研究紙漿中木材濃度的分率、容器的壓強(qiáng)、煮漿時(shí)間對紙張強(qiáng)度的影響。器的壓強(qiáng)、煮漿時(shí)間對紙張強(qiáng)度的影響。 指標(biāo)指標(biāo)：紙張強(qiáng)度：紙張強(qiáng)度 因素及水平：因素及水平： 紙漿中木材濃度的分率紙漿中木材濃度的分率(%) 2、4、8 容器的壓強(qiáng)容器的壓強(qiáng) (kpa) 400、500、650 煮漿時(shí)間煮漿時(shí)間 (h) 3、4舉 例 例例4 4：直接過濾實(shí)驗(yàn)中

16、，欲考察混凝劑硫酸鋁：直接過濾實(shí)驗(yàn)中，欲考察混凝劑硫酸鋁投量，助劑聚丙烯酰胺投量，濾速對過濾周期投量，助劑聚丙烯酰胺投量，濾速對過濾周期平均出水濁度的影響。平均出水濁度的影響。 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)指標(biāo)：過濾周期平均出水濁度：過濾周期平均出水濁度 因素及水平：因素及水平： 混凝劑投量（混凝劑投量（mg/lmg/l）（）（ 1010、1212、1 1） 助凝劑投量（助凝劑投量（mg/lmg/l）（）（0.080.08、0.150.15、0.300.30） 濾濾 速（速（m/hm/h） （8 8、1010、1212）4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 針對不同的具體情況，有不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。針對不同的具體情況，有不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 各種試驗(yàn)方法的目的、出發(fā)點(diǎn)各不相同。各種試驗(yàn)方法的目的、出發(fā)點(diǎn)各不相同。5實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)