正交試驗設(shè)計方法講義及舉例

1、水平因素溫度C壓力Pa加堿量kg符號TPm1T1（80）P1（5.0）m1（2.0）2T2（100）P2（6.0）m2（2.5）3T3（120）P3（7.0）m3（3.0）表51因素水平6因素3水平的試驗，就需36=729次實驗，顯然圖51全面搭配法方案正交試驗設(shè)計方法講義及舉例第5章正交試驗設(shè)計方法5.1試驗設(shè)計方法概述試驗設(shè)計是數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的一個重要的分支。多數(shù)數(shù)理統(tǒng)計方法主要用于分析已經(jīng)得到的數(shù)據(jù)，而試驗設(shè)計卻是用于決定數(shù)據(jù)收集的方法。試驗設(shè)計方法主要討論如何合理地安排試驗以及試驗所得的數(shù)據(jù)如何分析等。例5-1某化工廠想提高某化工產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，對工藝中三個主要因素各按三個水平進(jìn)行試驗（

2、見表5-1）。試驗的目的是為提高合格產(chǎn)品的產(chǎn)量，尋求最適宜的操作條件。對此實例該如何進(jìn)行試驗方案的設(shè)計呢？很容易想到的是全面搭配法方案（如圖5-1所示）：此方案數(shù)據(jù)點分布的均勻性極好，因素和水平的搭配十分全面，一的缺點是實驗次數(shù)多達(dá)33=27次（指數(shù)3代表3個因素，底數(shù)3代表每因素有3個水平）。因素、水平數(shù)愈多，則實驗次數(shù)就愈多，例如，做一個難以做到。因此需要尋找一種合適的試驗設(shè)計方法。試驗設(shè)計方法常用的術(shù)語定義如下。試驗指標(biāo)：指作為試驗研究過程的因變量，常為試驗結(jié)果特征的量（如得率、純度等）。例1的試驗指標(biāo)為合格產(chǎn)品的產(chǎn)量。因素：指作試驗研究過程的自變量，常常是造成試驗指標(biāo)按某種規(guī)律發(fā)生變化

3、的那些原因。如例1的溫度、壓力、堿的用量。水平：指試驗中因素所處的具體狀態(tài)或情況，又稱為等級。如例1的溫度有3個水平。溫度用T表示，下標(biāo)1、2、3表示因素的不同水平，分別記為1、丁2、丁3。常用的試驗設(shè)計方法有：正交試驗設(shè)計法、均勻試驗設(shè)計法、單純形優(yōu)化法、雙水平單純形優(yōu)化法、回歸正交設(shè)計法、序貫試驗設(shè)計法等?？晒┻x擇的試驗方法很多，各種試驗設(shè)計方法都有其一定的特點。所面對的任務(wù)與要解決的問題不同，選擇的試驗設(shè)計方法也應(yīng)有所不同。由于篇幅的限制，我們只討論正交試驗設(shè)計方法。5. 2正交試驗設(shè)計方法的優(yōu)點和特點用正交表安排多因素試驗的方法，稱為正交試驗設(shè)計法。其特點為：完成試驗要求所需的實驗次數(shù)

4、少。數(shù)據(jù)點的分布很均勻?？捎孟鄳?yīng)的極差分析方法、方差分析方法、回歸分析方法等對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，引出許多有價值的結(jié)論。從例1可看出，采用全面搭配法方案，需做27次實驗。那么采用簡單比較法方案又如何呢？先固定Ti和pi,只改變解觀察因素m不同水平的影響，做了如圖2-2(1)所示的三次實驗，發(fā)現(xiàn)m=m2時的實驗效果最好(好的用口表示)，合格產(chǎn)品的產(chǎn)量最高，因此認(rèn)為在后面的實驗中因素m應(yīng)取m；水平。£-鼻'金(2)圖52簡單比較法方案固定Ti和R2,改變p的三次實驗如圖5-2(2)所示，發(fā)現(xiàn)p=p3時的實驗效果最好，因此認(rèn)為因素p應(yīng)取p3水平。固定p3和R2,改變T的三次實驗如圖5

5、-2(3)所示，發(fā)現(xiàn)因素T宜取T2水平。因此可以引出結(jié)論：為提高合格產(chǎn)品的產(chǎn)量，最適宜的操作條件為T2P3伽。與全面搭配法方案相比，簡單比較法方案的優(yōu)點是實驗的次數(shù)少，只需做9次實驗。但必須指出，簡單比較法方案的試驗結(jié)果是不可靠的。因為，在改變m值(或p值，或T值)的三次實驗中，說m：(或p3或T2)水平最好是有條件的。在Tw，pwpi時，m水平不是最好的可能性是有的。在改變m的三次實驗中，固定T=T2,p=p3應(yīng)該說也是可以的，是隨意的，故在此方案中數(shù)據(jù)點的分布的均勻性是毫無保障的。用這種方法比較條件好壞時，只是對單個的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值上的簡單比較，不能排除必然存在的試驗數(shù)據(jù)誤差的干擾。運(yùn)用

6、正交試驗設(shè)計方法，不僅兼有上述兩個方案的優(yōu)點，而且實驗次數(shù)少，數(shù)據(jù)點分布均勻，結(jié)論的可靠性較好。正交試驗設(shè)計方法是用正交表來安排試驗的。對于例1適用的正交表是L9(34),其試驗安排見表5-2。所有的正交表與L9(34)正交表一樣，都具有以下兩個特點：不同數(shù)字對出現(xiàn)的次數(shù)也都相同。(1) 在每一列中，各個不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相同。在表L9(34)中，每一列有三個水平，水平1、2、3都是各出現(xiàn)3次。(2) 表中任意兩列并列在一起形成若干個數(shù)字對，在表L9(34)中，任意兩列并列在一起形成的數(shù)字對共有9個：(1,1),(1,2),(1,3),(2,1),(2,(2) (2,3),(3,1),(3,

7、2),(3,3),每一個數(shù)字對各出現(xiàn)一次。表5-2試驗安排表列號1234試驗號因素溫度C壓力Pa加堿量kg符號Tpm11(T1)1(p1)1(m)121()2(p2)2(m)231(1)3(p3)3(m1)342(T2)1(p1)2(m)352(丁2)2(p2)3(m1)162(T2)3(p3)1(m)273(T3)1(p1)3(m)283(T3)2(p2)1(m)393(T3)3(p3)2(m)1這兩個特點稱為正交性。正是由于正交表具有上述特點，就保證了用正交表安排的試驗方案中因素水平是均衡搭配的，數(shù)據(jù)點的分布是均勻的。因素、水平數(shù)愈多，運(yùn)用正交試驗設(shè)計方法，愈發(fā)能顯示出它白優(yōu)越性，如上述提

8、到的6因素3水平試驗，用全面搭配方案需729次，若用正交表L27(313)來安排，則只需做27次試驗。在化工生產(chǎn)中，因素之間常有交互作用。如果上述的因素T的數(shù)值和水平發(fā)生變化時，試驗指標(biāo)隨因素p變化的規(guī)律也發(fā)生變化，或反過來，因素p的數(shù)值和水平發(fā)生變化時，試驗指標(biāo)隨因素T變化的規(guī)律也發(fā)生變化。這種情況稱為因素T、p間有交互作用，記為TXp。5.3正交表使用正交設(shè)計方法進(jìn)行試驗方案的設(shè)計，就必須用到正交表。正交表請查閱有關(guān)參考書。5.3.1 各列水平數(shù)均相同的正交表各列水平數(shù)均相同的正交表，也稱單一水平正交表。這類正交表名稱的寫法舉例如下:正交表的列數(shù)每一列的水平數(shù)實驗的次數(shù)正交表的代號各列水平

9、均為2的常用正交表有：L4(23),L8(27),L12(211),L16(215),L20(219),L32(231)°各列水平數(shù)均為3的常用正交表有：L9(34),L27(313)。各列水平數(shù)均為4的常用正交表有：Li6(45)各列水平數(shù)均為3的常用正交表有：L25(56)5.3.2 混合水平正交表各列水平數(shù)不相同的正交表，叫混合水平正交表，下面就是一個混合水平正交表名稱的寫法：L8(41X24)2水平列的列數(shù)為4水平列的列數(shù)為實驗的次數(shù)正交表的代號L8(41X24)常簡寫為L8(4X24)。此混合水平正交表含有1個4水平列，4個2水平列，共有1+4=5歹上5.3.3 選擇正交表

10、的基本原則一般都是先確定試驗的因素、水平和交互作用，后選擇適用的L表。在確定因素的水平數(shù)時，主要因素宜多安排幾個水平，次要因素可少安排幾個水平。_.,一.*一.(1)先看水平數(shù)。若各因素全是2水平，就選用L(2)表；若各因素全是3水平，就、能*選L(3)表。若各因素的水平數(shù)不相同，就選擇適用的混合水平表。(2)每一個交互作用在正交表中應(yīng)占一列或二列。要看所選的正交表是否足夠大，能否容納得下所考慮的因素和交互作用。為了對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析或回歸分析，還必須至少留一個空白列，作為“誤差”歹U,在極差分析中要作為“其他因素”列處理。(3)要看試驗精度的要求。若要求高，則宜取實驗次數(shù)多的L表。(4)

11、若試驗費用很昂貴，或試驗的經(jīng)費很有限，或人力和時間都比較緊張，則不宜選實驗次數(shù)太多的L表。(5)按原來考慮的因素、水平和交互作用去選擇正交表，若無正好適用的正交表可選，簡便且可行的辦法是適當(dāng)修改原定的水平數(shù)。(6)對某因素或某交互作用的影響是否確實存在沒有把握的情況下，選才iL表時常為該選大表還是選小表而猶豫。若條件許可，應(yīng)盡量選用大表，讓影響存在的可能性較大的因素和交互作用各占適當(dāng)?shù)牧?。某因素或某交互作用的影響是否真的存在，留到方差分析進(jìn)行顯著性檢驗時再做結(jié)論。這樣既可以減少試驗的工作量，又不致于漏掉重要的信息。5.3.4 正交表的表頭設(shè)計所謂表頭設(shè)計，就是確定試驗所考慮的因素和交互作用，在

12、正交表中該放在哪一列的問題。(1)有交互作用時，表頭設(shè)計則必須嚴(yán)格地按規(guī)定辦事。因篇幅限制，此處不討論，請查閱有關(guān)書籍。(2)若試驗不考慮交互作用，則表頭設(shè)計可以是任意的。如在例5-1中，對L9(34)表頭設(shè)計，表5-3所列的各種方案都是可用的。但是正交表的構(gòu)造是組合數(shù)學(xué)問題，必須滿最好足5.2中所述的特點。對試驗之初不考慮交互作用而選用較大的正交表，空列較多時,表53Lg(34)表頭設(shè)計方案列號12341TPm空方案2空Tpm3m空Tp4pm空T仍與有交互作用時一樣，按規(guī)定進(jìn)行表頭設(shè)計。只不過將有交互作用的列先視為空列，待試驗結(jié)束后再加以判定。4正交試驗的操作方法(1)分區(qū)組。對于一批試驗，

13、如果要使用幾臺不同的機(jī)器，或要使用幾種原料來進(jìn)行，為了防止機(jī)器或原料的不同而帶來誤差，從而干擾試驗的分析，可在開始做實驗之前，用L表中未排因素和交互作用的一個空白列來安排機(jī)器或原料。與此類似，若試驗指標(biāo)的檢驗需要幾個人(或幾臺機(jī)器)來做，為了消除不同人(或儀器)檢驗的水平不同給試驗分析帶來干擾，也可采用在L表中用一空白列來安排的辦法。這樣一種作法叫做分區(qū)組法。(2)因素水平表排列順序的隨機(jī)化。如在例5-1中，每個因素的水平序號從小到大時，因素的數(shù)值總是按由小到大或由大到小的順序排列。按正交表做試驗時，所有的1水平要碰在一起，而這種極端的情況有時是不希望出現(xiàn)的，有時也沒有實際意義。因此在排列因素

14、水平表時，最好不要簡單地按因素數(shù)值由小到大或由大到小的順序排列。從理論上講，最好能使用一種叫做隨機(jī)化的方法。所謂隨機(jī)化就是采用抽簽或查隨機(jī)數(shù)值表的辦法，來決定排列的別有順序。(3)試驗進(jìn)行的次序沒必要完全按照正交表上試驗號碼的順序。為減少試驗中由于先后實驗操作熟練的程度不勻帶來的誤差干擾，理論上推薦用抽簽的辦法來決定試驗的次序。(4)在確定每一個實驗的實驗條件時，只需考慮所確定的幾個因素和分區(qū)組該如何取值，而不要(其實也無法)考慮交互作用列和誤差列怎么辦的問題。交互作用列和誤差列的取值問題由實驗本身的客觀規(guī)律來確定，它們對指標(biāo)影響的大小在方差分析時給出。(5)做實驗時，要力求嚴(yán)格控制實驗條件。

15、這個問題在因素各水平下的數(shù)值差別不大時更為重要。例如，例5-1中的因素(加堿量)m的三個水平：mi=2.0,m2=2.5,m3=3.0,在以m=m2=2.5為條件的某一個實驗中，就必須嚴(yán)格認(rèn)真地讓m2=2.5。若因為粗心和不負(fù)責(zé)任，造成m2=2.2或造成m2=3.0,那就將使整個試驗失去正交試驗設(shè)計方法的特點，使極差和方差分析方法的應(yīng)用喪失了必要的前提條件，因而得不到正確的試驗結(jié)果。5正交試驗結(jié)果分析方法正交試驗方法之所以能得到科技工作者的重視并在實踐中得到廣泛的應(yīng)用，其原因不僅在于能使試驗的次數(shù)減少，而且能夠用相應(yīng)的方法對試驗結(jié)果進(jìn)行分析并引出許多有價值的結(jié)論。因此，有正交試驗法進(jìn)行實驗，如

16、果不對試驗結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真的分析，并引出應(yīng)該引出的結(jié)論，那就失去用正交試驗法的意義和價值。極差分析方法下面以表5-4為例討論L4(23)正交試驗結(jié)果的極差分析方法。極差指的是各列中各水平對應(yīng)的試驗指標(biāo)平均值的最大值與最小值之差。從表5-4的計算結(jié)果可知，用極差法分析正交試驗結(jié)果可引出以下幾個結(jié)論：(1)在試驗范圍內(nèi)，各列對試驗指標(biāo)的影響從大到小的排隊。某列的極差最大，表示該列的數(shù)值在試驗范圍內(nèi)變化時，使試驗指標(biāo)數(shù)值的變化最大。所以各列對試驗指標(biāo)的影響從大到小的排隊，就是各列極差D的數(shù)值從大到小的排隊。(2)試驗指標(biāo)隨各因素的變化趨勢。為了能更直觀地看到變化趨勢，常將計算結(jié)果繪制成圖。(3)使試驗指

17、標(biāo)最好的適宜的操作條件(適宜的因素水平搭配)。(4)可對所得結(jié)論和進(jìn)一步的研究方向進(jìn)行討論。表5-4L4(23)正交試驗計算歹1J號123試驗指標(biāo)yi1111y1試驗號2122y23212y3n=4221y4IjI1=y1+y2I2=y1+y3I3=y1+y4口ju1=y3+y4n2=y2+y4u3=y2+y3kjk1=2k2=2k3=2Ij/kjI1/k1I2k2I3/k3nj/kjn1/k1U4k2U3/k3極差(Dj)max-minmax-minmax-min注:Ij第j列“1”水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)的數(shù)值之和；L第j列“2”水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)的數(shù)值之和；k第j列同一水平出現(xiàn)的次數(shù)。等于

18、試驗的次數(shù)(n)除以第j列的水平數(shù)Ij/kj第j列“1”水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)的平均值；口j/kj第j列“1”水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)的平均值；Dj第j列的極差。等于第j列各水平對應(yīng)的試驗指標(biāo)平均值中的最大值減最小值，即Dj=maxIj/k,口j/kj,-minjkj,nj/kj,方差分析方法計算公式和項目nan試驗指標(biāo)的加和值=£yi,試驗指標(biāo)的平均值y=£y,以第j列為例:i1ni1Ij“1”水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)的數(shù)值之和nj“2”水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)的數(shù)值之和，kj同一水平出現(xiàn)的次數(shù)。等于試驗的次數(shù)除以第j列的水平數(shù)Ij/kj“1”水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)的平均值/kjT水平所

19、對應(yīng)的試驗指標(biāo)的平均值，以上7項的計算方法同極差法(見表5-4)。偏差平方和fj自由度。fj=第j列的水平數(shù)一1。V方差。V=S/fj。Ve誤差列的方差。M=Se/fe。式中，e為正交表的誤差列。Fj方差之比F=V/V。查F分布數(shù)值表(F分布數(shù)值表請查閱有關(guān)參考書)做顯著性檢驗。n(14)總的偏差平方和S總=£(yi-y2i1m(15)總的偏差平方和等于各列的偏差平方和之和。即S總=£Sjj1式中，m為正交表的列數(shù)。若誤差列由5個單列組成，則誤差列的偏差平方和S等于5個單列的偏差平方和之和，即：S=Se1+Se2+Se3+$4+05；也可用$=$總+S'來計算，其中

20、S''為安排有因素或交互作用的各列的偏差平方和之和。5.5.2.2可引出的結(jié)論與極差法相比，方差分析方法可以多引出一個結(jié)論：各列對試驗指標(biāo)的影響是否顯著，在什么水平上顯著。在數(shù)理統(tǒng)計上，這是一個很重要的問題。顯著性檢驗強(qiáng)調(diào)試驗在分析每列對指標(biāo)影響中所起的作用。如果某列對指標(biāo)影響不顯著，那么，討論試驗指標(biāo)隨它的變化趨勢是毫無意義的。因為在某列對指標(biāo)的影響不顯著時，即使從表中的數(shù)據(jù)可以看出該列水平變化時，對應(yīng)的試驗指標(biāo)的數(shù)值與在以某種“規(guī)律”發(fā)生變化，但那很可能是由于實驗誤差所致，將它作為客觀規(guī)律是不可靠的。有了各列的顯著性檢驗之后，最后應(yīng)將影響不顯著的交互作用列與原來的“誤差列”

21、合并起來。組成新的“誤差列”，重新檢驗各列的顯著性。5.6正交試驗方法在化工原理實驗中的應(yīng)用舉例例5-2為提高真空吸濾裝置的生產(chǎn)能力，請用正交試驗方法確定恒壓過濾的最佳操作條件。其恒壓過濾實驗的方法、原始數(shù)據(jù)采集和過濾常數(shù)計算等見過濾實驗部分。影響實驗的主要因素和水平見表5-5(a)。表中Ap為過濾壓強(qiáng)差；T為漿液溫度；w為漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)；M為過濾介質(zhì)(材質(zhì)屬多孔陶瓷)。2解：(1)試驗指標(biāo)的確定：恒壓過濾常數(shù)K(m/s)(2)選正交表：根據(jù)表5-5(a)的因素和水平，可選用L8(4X24)表。(3)制定實驗方案：按選定的正交表，應(yīng)完成8次實驗。實驗方案見表5-5(b)。(4)實驗結(jié)果：將所計算

22、出的恒壓過濾常數(shù)K(m2/s)歹U于表5-5(b)。表5-5(a)過濾實驗因素和水平因素壓強(qiáng)差/kPaP溫度/cT質(zhì)量分?jǐn)?shù)w過濾介質(zhì)M符號12.94(室溫)18稀(約5%)G2*23.92(室溫+15)33濃(約10%)G3*水平34.9045.88*G2、G3為過濾漏斗的型號。過濾介質(zhì)孔徑：G2為3050從m、G3為1630Vm。表2-5(b)正交試驗的試驗方案和實驗結(jié)果列號j=123456因素PTwMeK(m2/s)試驗號水平11111144.01X1042122224142.93X10432112245.21X104422211-45.55X10453121244.83X10463212

23、11.02X10374122145.11X104842112一31.10X10(5)指標(biāo)K的極差分析和方差分析：分析結(jié)果見表5-5(c)。以第2列為例說明計算過程：I2=4.01X104+5.21X104+4.83X104+5.11X104=1.92X103112=2.93X104+5.55X104+1.02X103+1.10X103=2.97X103k2=4I2/k2=1.92X10-3/4=4.79X104II2/k2=2.97X103/4=7.42X104D2=7.42X104-4.79X104=2.63X104-32K=4.88X104K=6.11X10S?=k2(I2/k，2K)+k

24、2(n2/k2K)=4(4.79X10-6.11X104)2+4(7.42X10«6.11X104)2=1.38X107f2=第二列的水平數(shù)一1=21=1V2=S2/f2=1.38X107/1=1.38x107Se=S5=ks(I5/k§K)+ks(n5/k§K)=4(6.22X10”6.11X104)2+4(5.99X1046.11X104)2=1.06X109fe=f5=1Ve=Se/fe=1.06X10，1=1.06X109F2=V2/Ve=1.38X107/1.06X109=130.2查F分布數(shù)值表可知：F(a=0.01,f1=1，f2=1)=4052&g

25、t;F2F(a=0.05,f1=1,f2=1)=161.4>F2F(a=0.10,f=1,f2=1)=39.9<F2F(a=0.25,f1=1，f2=1)=5.83<F2(其中：f1為分子的自由度，f2分母的自由度)所以第二列對試驗指標(biāo)的影響在a=0.10水平上顯著。其他列的計算結(jié)果見表2-5(c)。表5-5(c)K的極差分析和方差分析列號j=123456因素pTwMeK(m2/s)項目43333Ij6.94X101.92X103.04X102.54X102.49X10Uj1.08X1032.97X1031.84X1032.35X1032.40X103-32K=nij1.50X103-34.88X103IVj1.61X10/2(m2/s)kj24444Ij/kj4.一4一一4一一44一444443.47X1044.79X1047.61X1046.35X1046.22X104-4-4-4-4-4nj/kj5.38X107.42X104.61X105.86X105.99