實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理

試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理

老師：邵青農(nóng)業(yè)領(lǐng)域道路

橋梁

工業(yè)產(chǎn)品

第一章緒論

第一節(jié)試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理的概念和意義（一）試驗設(shè)計1、試驗為什么要進行設(shè)計？在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)探討和管理實踐中，為了開發(fā)設(shè)計研制新產(chǎn)品、更新老產(chǎn)品，降低原材料、能源等資源消耗，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，做到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗即提高經(jīng)濟效益，都須要做各種試驗。凡是試驗就存在著如何支配試驗，如何分析試驗結(jié)果的問題，也就是要解決試驗設(shè)計的方法問題。若試驗方案設(shè)計正確，對試驗結(jié)果分析得法，就能以較少的試驗次數(shù)、較短的試驗周期、較低的試驗費用，快速得到正確的結(jié)論和較好的試驗結(jié)果；反之，試驗方案設(shè)計不正確，試驗結(jié)果分析不當(dāng)，就可能增加試驗次數(shù)，延長試驗周期，造成人力、物力和時間的奢侈，不僅難以達到預(yù)期效果，甚至造成試驗的全盤失敗。因此，如何科學(xué)地進行試驗設(shè)計是一個特殊重要的問題。2、試驗設(shè)計的含義試驗設(shè)計——是指為節(jié)約人力、財力、快速找到最佳條件，揭示事物內(nèi)在規(guī)律，依據(jù)試驗中不同問題，在試驗前利用數(shù)學(xué)原理科學(xué)編排試驗的過程。以概率論與數(shù)理統(tǒng)計學(xué)為理論基礎(chǔ)，為獲得牢靠試驗結(jié)果和有用信息，科學(xué)支配試驗的一種方法論，亦是探討如何高效而經(jīng)濟地獲得所須要的數(shù)據(jù)與信息的方法。一個良好的試驗設(shè)計，要閱歷三個階段，即方案設(shè)計、試驗實施和結(jié)果分析。只有把試驗設(shè)計的理論、專業(yè)技術(shù)學(xué)問和實際閱歷三者緊密結(jié)合起來，才能取得良好的試驗設(shè)計效果。3．試驗設(shè)計的基本宗旨①最大限度地提高試驗效率②最大限度地提高試驗精度

（二）數(shù)據(jù)處理1、數(shù)據(jù)處理的意義試驗數(shù)據(jù)的處理與分析是試驗設(shè)計與分析的重要組成部分。在生產(chǎn)和科學(xué)探討中，會遇到大量的試驗數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)的正確處理關(guān)系到能否達到試驗?zāi)康模贸雒鞔_結(jié)論。如何從雜亂無章的試驗數(shù)據(jù)中提取有用信息幫助解決問題，用于指導(dǎo)科學(xué)探討和生產(chǎn)實踐，為此須要選擇合理的數(shù)據(jù)分析方法對試驗數(shù)據(jù)進行科學(xué)地處理和分析，只有這樣才能充分有效地利用試驗測試信息。試驗數(shù)據(jù)分析通常建立在數(shù)理統(tǒng)計的基礎(chǔ)上。2、常用的數(shù)據(jù)處理方法1）直觀分析法主要解決兩個問題：①確定因素最佳水平組合；②影響試驗指標(biāo)的因素的主次地位。優(yōu)點：簡潔，工作量??；缺點：推斷因素效應(yīng)的精度差，不能給出試驗誤差大小的估計，在試驗誤差較大時，往往可能造成誤判。2）方差分析法將試驗數(shù)據(jù)的波動分解為各個因素的波動和誤差波動，然后對它們的平均波動進行比較的方法。優(yōu)點：是一種定量分析方法，可比性強，分析推斷因素效應(yīng)的精度高。3）因素-指標(biāo)關(guān)系趨勢圖分析方法即計算各因素各個水平平均試驗指標(biāo)，接受因素的水平作為橫坐標(biāo)，接受各水平的平均試驗指標(biāo)作為縱坐標(biāo)繪制因素-指標(biāo)關(guān)系趨勢圖，找出各因素水平與試驗指標(biāo)間的變更規(guī)律。優(yōu)點：簡潔、計算量小，試驗結(jié)果直觀明白。4）回來分析方法回來分析方法是用來找尋試驗因素和試驗指標(biāo)之間是否存在函數(shù)關(guān)系的一種方法。優(yōu)點：應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對試驗數(shù)據(jù)去粗取精、去偽存真，從而得到反映事物內(nèi)部規(guī)律的特性。其次節(jié)試驗設(shè)計的發(fā)展和應(yīng)用

20世紀(jì)初：英國生物統(tǒng)計學(xué)家費歇爾（1890-1962）首次提出了“試驗設(shè)計”術(shù)語。試驗設(shè)計方法最早應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、遺傳學(xué)方面。在農(nóng)業(yè)方面主要是進行品種對比、施肥對比等，使農(nóng)業(yè)大幅度增產(chǎn)。20世紀(jì)40年頭，英美兩國起先在采礦、冶金、建筑、紡織、機械、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，如變更原料配比或工藝生產(chǎn)條件，找尋最佳工況。50、60年頭：日本田口玄—博士創(chuàng)建了正交試驗設(shè)計法。二戰(zhàn)后，日本工業(yè)飛速發(fā)展的緣由就是在工業(yè)領(lǐng)域里普遍推廣和應(yīng)用正交試驗設(shè)計的結(jié)果。日本電訊探討所研制的“線形彈簧繼電器”，使電話機收聽效果大為改進，為日本電訊事業(yè)的發(fā)展起到了不行估量的作用。50年頭：我國中科院數(shù)學(xué)探討所在正交試驗設(shè)計的觀點、理論和方法上有了新的創(chuàng)見，編制了一套較為適用的正交表，簡化了試驗程序和試驗結(jié)果分析方法。目前，試驗設(shè)計已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。第三節(jié)試驗設(shè)計基本要素①指標(biāo)——用來衡量試驗效果好壞的特征值。②因素——對試驗指標(biāo)有影響的緣由或要素。③水平——因素在試驗中所處的不同狀態(tài)，可能引起指標(biāo)的變更。（一）指標(biāo)——用來衡量試驗效果好壞的特征值1、指標(biāo)分類：a)定量指標(biāo)（數(shù)量指標(biāo)，如強度、重量、產(chǎn)量、合格率、成活率、廢品率、轉(zhuǎn)化率等。）b)定性指標(biāo)（非數(shù)量指標(biāo)，如顏色、味道、光澤等）2、指標(biāo)的選擇要求：選擇客觀性強的指標(biāo)，選擇易于量化即經(jīng)過儀器測量而獲得的指標(biāo)；選擇靈敏度高的指標(biāo)，選擇精確性強的參數(shù)作為指標(biāo)。（二）因素——對試驗指標(biāo)有影響的緣由或要素因素也稱為因子，它是在進行試驗時重點考察的內(nèi)容。因素一般用大寫字母ABC……來標(biāo)記，如因素A、因素B、因素C等。1、因素分類：a)可控因素（溫度、時間、種類、濃度……）b)不行控因素（風(fēng)速、氣溫、……）2、選擇因素的原則

a）抓住主要因素（將影響較大的因素選入試驗）同時要考慮因素之間的交互作用。b）找出非主要因素，并使其在試驗中保持不變，以消退其干擾作用。（三）水平——因素在試驗中所處的不同狀態(tài)選擇水平的原則：①水平宜取三水平為宜②水平應(yīng)是等間隔的原則③水平是具體的④水平的選擇必需在技術(shù)上現(xiàn)實可行。舉例例1：某化工工程師欲探討化學(xué)反應(yīng)溫度（60℃、70℃、80℃）、反應(yīng)時間（1h、1.5h、2h）、催化劑用量（2kg、2.5kg、3kg）對產(chǎn)品產(chǎn)量（指標(biāo)）的影響，依據(jù)找出的規(guī)律，確立最佳生產(chǎn)條件。例2：考察3種不同類型的電路對某種自動開關(guān)的響應(yīng)時間（ms）的影響指標(biāo)：響應(yīng)時間因素：電路類型水平：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ舉例例3：探討紙漿中木材濃度的分率、容器的壓強、煮漿時間對紙張強度的影響。指標(biāo)：紙張強度因素及水平：紙漿中木材濃度的分率(%)2、4、8容器的壓強(kPa)400、500、650煮漿時間(h)3、4舉例例4：干脆過濾試驗中，欲考察混凝劑硫酸鋁投量，助劑聚丙烯酰胺投量，濾速對過濾周期平均出水濁度的影響。試驗指標(biāo)：過濾周期平均出水濁度因素及水平：混凝劑投量（mg/L）（10、12、1）助凝劑投量（mg/L）（0.08、0.15、0.30）濾速（m/h）（8、10、12）第四節(jié)試驗設(shè)計方法與步驟

（一）試驗設(shè)計方法針對不同的具體狀況，有不同的試驗設(shè)計方法。單因素試驗設(shè)計雙因素試驗設(shè)計正交試驗設(shè)計各種試驗方法的目的、動身點各不相同。（二）試驗方案設(shè)計的步驟1、明確試驗?zāi)康?，確定試驗指標(biāo)。2、選擇因素，選取水平。3、選定試驗設(shè)計方法。4、試驗點支配。本課程講授內(nèi)容1．試驗設(shè)計①單因素試驗設(shè)計（均分法，對分法，0.618法，分?jǐn)?shù)法）②雙因素試驗設(shè)計（平行線法、旋升法、對開法）③多因素試驗設(shè)計（正交設(shè)計、序貫設(shè)計）2．?dāng)?shù)據(jù)處理①試驗誤差分析②試驗數(shù)據(jù)整理③試驗數(shù)據(jù)分析（直觀分析法、方差分析、回來分析）參考文獻

①鄭少華、姜奉華《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》，中國建材工業(yè)出版社，2004年3月第1版，51.727/Z429（適合材料科學(xué)與工程、化工、機械、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等專業(yè)