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1、学习必备 欢迎下载 1.1.1 实验设计 1、实验为什么要设计 在工农业生产、科学研究和管理实践中，为了开发设计研制新产品、更新老产品，降低原材料、能源等资源消耗，提高产品的产量和质量，做到优质、高产、低消耗即提高经济效益，都需要做各种试验。凡是试验就存在着如何安排试验，如何分析试验结果的问题，也就是要解决试验设计的方法问题。若试验方案设计正确，对试验结果分析得法，就能够以较少的试验次数、较短的试验周期、较低的试验费用，迅速地得到正确的结论和较好的试验效果；反之，试验方案设计比正确，实验结果分析不当，就可能增加试验次数，延长试验周期，造成人力、物力和时间的浪费，不仅难以达到预期的效果，甚至造成
2、试验的全盘失败。因此，如何科学地进行试验设计是一个非常重要的问题。一项科学合理的试验安排应能做到以下三点；1、试验次数尽可能地少；2、便于分析和处理试验数据；3、通过分析能得到满意的试验结论。2、试验设计的含义 试验设计，顾名思义，研究的是有关试验的设计理论与方法。通常所说的试验设计是以概率论、数理统计及线性代数等为理论基础，科学地安排试验方案，正确地分析试验结果，尽快获得优化方案的一种数学方法。一般认为，试验设计是统计数学的一个重要分支。必须指出，试验设计的是否科学，是否经济合理，能否取得良好的效果，并非轻而易举就能得到，只有试验参加者具备有关试验设计领域里的理论基础、知识以及方法、技巧，才
3、能胜任这项工作。此外，搞好试验设计工作还必须具有较深、较广的专业技术理论知识和丰富的生产实践经验。因此，只有把试验设计的理论、专业技术知识和实际经验三者紧密结合起来，才能取得良好的效果。由此看来，试验设计的目的是为了获得试验条件与试验结果之间规律性的认识。对于一个良好的试验设计来说，都要经过三个阶段，即方案设计、试验实施和结果分析。在方案设计阶段，要明确试验的目的，即明确试验达到什么目标，考核的指标和要求是什么，选择影响指标的主要因素有哪些以及因素变动的范围（即水平多少）怎样，制定出合理的试验方案（或称试验计划）；试验实施阶段是根据试验方案进行试验，获得可靠的试验数据；结果分析阶段是采用多种方
4、法对试验测得的数据进行科学的分析，找出考察的因素哪些是主要的，哪些是次要的，并选取优化的生产条件或因素水平组合。最后还需指出，试验设计能从影响试验结果的特征值（指标）的多种因素中，判断出哪些因素显著，哪些因素不显著，并能对优化的生产条件所能达到的指标值及其波动范围给以定量的估计。同时，也能确定最佳因素水平组合或生产条件的预测数学模型（即所谓经验公式）。因此，试验设计适合于解决多因素、多指标的试验优化设计问题，特别是当一些指标之间相互矛盾时，运用试验设计技术可以明了因素与指标间的规律性，找出兼顾各指标的适宜的对系统寻优的方法。1.1.2 数据处理 试验数据的处理与分析是试验设计与分析的重要组成部
5、分。在生产和科学研究中，会碰到大量的试验数据，试验数据的正确处理关系到能否达到试验目的、得出明确结论，如何从这些杂乱无章的试验数据中取出有用的情报帮助解决问题，用于指导科学研究和生产实践，为此需要选择合理的试验数据分析方法对试验数据进行科学地处理和分析，只有这样才能充分有效地利用试验测试信息。试验数据分析通常是建立在数据统计的基础上。在数理统计中就是通过随机变量的观察值（试验数据）来推断随机变量的特征，例如分布规律和数字特征。数理统计是广泛应用的一个数学分支，它以概率论为理论基础，根据试验或观察所得的数据，对研究学习必备 欢迎下载 对象的客观规律做出合理的估计和判断。常用的试验数据分析方法主要
6、有以下几种：1、确定因素最佳组合。该问题归结为找到各因素分别取何水平时，所得到的试验结果会最好。这一问题可以通过计算出每个因素每一个水平的试验指标值的总和与平均值，通过比较来确定最佳水平。2、确定影响试验指标的因素主次低位。该问题可以归结为将所有影响因素按其对试验指标的影响大小进行排队。解决这一问题采用极差法，某个因素的极差定义为该因素的不同水平下的指标平均值的最大值与最小值之间的差值。极差的大小反映了试验中各个因素对试验指标影响的大小，极差大表明该因素对试验结果的影响大，是主要因素；反之，极差小表明该因素对试验结果的影响小，是次要因素或不重要因素。值得注意的是，根据直观分析得到的主要因素不一
7、定是影响显著的因素，次要因素也不一定是影响不显著的因素，因素影响的显著性需要通过方差确定。直观分析方法的优点是简便、工作量小；缺点是判断因素效应的精度差，不能给出试验误差大小的估计，在试验误差较大时，往往可能造成误判。2 方差分析方法 简单来说，把试验数据的波动分解为各个因素的波动和误差波动，然后对它们的平均波动进行比较，这种方法称为方差分析。方差分析的中心要点是把试验数据总的波动；另一部分反映试验误差引起的波动，亦即把试验数据总的偏差平方和分解为反映必要性的各个因素的偏差平方和与反映偶然性的误差平方和，并计算比较它们的平均偏差平方和，以找出对试验数据起决定性影响的因素（即显著性或高度显著性因
8、素）作为进行定量分析判断的依据。方差分析方法的优点主要是能够充分地利用试验所得数据估计试验误差，可以将各因素对试验指标的影响从试验误差中分离出来，是一种定量分析方法，可比性强，分析判断因素效应的精度高。3 因素-指标关系趋势图分析方法 即计算各因素各个水平平均试验指标，采用因素的水平作为横坐标，采用各水平的平均试验指标作为纵坐标绘制因素-指标关系趋势图，找出各因素水平与试验指标健的变化规律。因素-指标关系趋势图分析方法的主要优点是简单，计算量小，实验结果直观明了。4 回归分析方法 回归分析方法是用来寻找实验因素与试验指标之间是否存在函数关系的一种方法。一般回归方程的表示方法如下：y=b0+b1
9、x1+b2x2+b3x3+.+bnxn 在试验过程中，试验误差越小，则各因素 x1变化时，得出的考察指标 y 越精确。因此，利用最小二乘法原理，列出正规方程组，解这个方程组，求出回归方程的系数，代入并求出回归方程。对于所建立的回归方程是否有意义，要进行统计假设检验。回归分析的主要优点是应用数学方法对试验数据去粗取精，去伪存真，从而得到反映事物内部规律的特性。在试验数据处理过程中可以根据需要选用不同的试验数据分析方法，也可以同时采用几种分析方法。1、重复测量原则 增加试验重复测量次数，不仅可以减少误差，而且还可以提高试验指标的精度。随试验重复测定次数的增加，平均值更加靠近真值，误差值缩小。所以，
10、在通常的条件下都进行重复测老产品降低原材料能源等资源消耗提高产品的产量和质量做到优质高产低消耗即提高经济效益都需要做各种试验凡是试验就存在着如何安排试验如何分析试验结果的问题也就是要解决试验设计的方法问题若试验方案设计正确对试验反之试验方案设计比正确实验结果分析不当就可能增加试验次数延长试验周期造成人力力和时间的浪费不仅难以达到预期的效果甚至造成试验的全盘失败因此如何科学地进行试验设计是一个非常重要的问题一项科学合理的试验安排试验设计顾名思义研究的是有关试验的设计理论与方法通常所说的试验设计是以概率论数理统计及线性代数等为理论基础科学地安排试验方案正确地分析试验结果尽快获得优化方案的一种数学方
11、法一般认为试验设计是统计数学的一学习必备 欢迎下载 量，以达到满意的效果。同时只有经过重复试验，才能计算出标准误差，进一步进行无偏估计和统计假设检验。此外，试验设计中，试验误差是客观存在和不可避免的。试验设计任务之一就是尽量减少误差和正确估计误差。若只做一次试验，就很难从试验结果中估计出试验误差，只有进行几次重复试验，才能利用同样试验条件下取得多个数据的差异，把误差估计出来。同一条件下试验重复次数越多，则试验的精度越高。因此，在条件允许时应尽量多做几次重复试验。但也并非重复试验次数越多越好，因为无指导的盲目进行多次重复试验不仅无助于试验误差的减少，而且造成人力、物力、财力和时间的浪费。2、随机
12、性原则 在试验过程中，环境变化也会造成系统误差，因而要求在试验过程中保持环境条件稳定。但是，某些条件的变化难以控制，因此，如何组织试验，消除或尽量减轻环境等条件变化所带来的影响，就成了一个值得注意的问题。例如，用两台台秤称重时，由于零点调整的不同，其中一台测得的数值可能偏大，而另一台称出的数值却始终偏低，结果将产生系统误差。在这种情况下，可以在试验结束时，再校正一次零点进行修正。随机化就是解决这种问题的有效方法。打乱测定的次序，不按固定的次序进行读数，这就是随机化方法。所以，随机化是使系统误差转化为偶然误差的有效方法。系统误差的种类很多，环境条件的变化、试验人员的水平和习惯、原材料的材质、设备
13、条件等等，这些都会引起系统误差。有的系统误差既容易发现，也容易消除；有的系统误差虽然可以发现，但消除它却很困难，有时甚至不能消除；还有一些系统误差却很难发现。上述天平零点不准而引起的误差就属于第一类。再如农业试验中由于地理差异所引起的系统误差，虽然知道它存在，但消除它要消耗很大物力，而且效果也是值得怀疑的，这类系统误差就属于第二类。总之，在试验设计中都把随机化作为一个重要原则加以贯彻实施。随机化的方法，除抽签和掷骰子外，还常用随机数法。同样，也要从统计理论的高度去理解它的意义。统计学中所处理的样本都是随机样本，不管是有意识地或者是无意识地破坏了样本的随机性质，都破坏了统计的理论基础。3、局部控
14、制原则 对某些系统误差，虽然实行随机化的方法使系统误差具有了随机误差的性质，使系统误差的影响降低，但有时还是很大。为了更有效地消除它们的影响，对诸如地理、原材料以及试验日期等，除实行随机化外，还在组织或设计试验时实施区组控制的原则。区组控制是按照某一标准将试验对象加以分组，所分的组称为区组。在区组内试验条件一致或者相似，因此数据波动小，而试验精度却较高，误差必然减小。区组之间的差异较大。这种将待比较的水平，设置在差异较小的区组内以减少试验误差的原则，称为局部控制。试验规模大，各试验之间差异较大，采用完全随机化设计会使试验误差过大，有碍于将来的判断，在这种情况下，常根据局部控制的原则，将整个试验
15、区划分为若干个区组，在同一区组内按随机顺序进行试验，此种试验叫随机区组试验设计法。区组试验实际上是配对试验法的推广。在每一个区组中，如果每一个因素的所有水平都出现，称为完全区组试验。假设需要比较一种处理（如用不同方式制备的五批材料或反应的五种温度）的效应，为了减少试验误差造成的不确定性，决定对每种处理试验三次，总共做 15 次试验，则理想的设计应该是除各种处理应有的偏差外能使 15 次试验在相同条件下进行。但在实际中或许无法做到这一点，如不可能制备出足够 15 次试验用的质量相同的原材料，但足以满足五次试验使用。因此，试验过程可以这样安排：在不必完全相同的三个齐性批的每一批上，试验全部五种，正
16、交试验设计是利用规格化的正交表恰当地设计出试验方案和有效地分析试验结果，提出最优配方和工艺条件，并进而设计出可能更优秀的试验方案的一种科学方法。列数 老产品降低原材料能源等资源消耗提高产品的产量和质量做到优质高产低消耗即提高经济效益都需要做各种试验凡是试验就存在着如何安排试验如何分析试验结果的问题也就是要解决试验设计的方法问题若试验方案设计正确对试验反之试验方案设计比正确实验结果分析不当就可能增加试验次数延长试验周期造成人力力和时间的浪费不仅难以达到预期的效果甚至造成试验的全盘失败因此如何科学地进行试验设计是一个非常重要的问题一项科学合理的试验安排试验设计顾名思义研究的是有关试验的设计理论与方
17、法通常所说的试验设计是以概率论数理统计及线性代数等为理论基础科学地安排试验方案正确地分析试验结果尽快获得优化方案的一种数学方法一般认为试验设计是统计数学的一学习必备 欢迎下载 正交试验设计总的来说包括两部分：一是试验设计；二是数据处理。基本步骤可简单归纳如下：1、明确试验目的，确定评价指标 任何一个试验都是为了解决某一问题，或是为了得到某些结论而进行的，所以任何一个正交试验都应该有一个明确的目的，这是正交试验设计的基础。试验指标是表示试验结果特性的值，如产品的产量、产品的纯度等，可以用它来衡量或考核试验效果。2、挑选因素，确定水平 影响试验指标的因素很多，但由于试验条件有限，不可能全面考察，所
18、以应对实际问题进行具体分析，并根据试验目的，选出主要因素，略去次要因素，以减少要考察的因素数。如果对问题了解不够，则可以适当多取一些因素。凡是对试验结果可能有较大影响的因素一个也不要漏掉。一般来说，正交表是安排多因素试验的得力工具，不怕因素多，有时增加 1、2 个因素，并不增加试验次数。故一般倾向于多考察些因素，除了事先能肯定作用很小的因素和交互作用不安排外，凡是可能起作用或情况不明或意见有分歧的因素都值得考察。另外，必要时将区组因素加以考虑，可以提高试验的精度。确定因素的水平时，一般尽可能使因素的水平数相等，以方便试验数据处理。对质量因素，应选入的水平通常是早就定下来的，如要比较的品种有 3
19、 种，该因素（即品种）的水平数只能取 3。对数量因素，选取水平数的灵活性就大了，如温度、水平时间等，通常取 2 或 3 水平，只是在有特殊要求的场合，才考虑取 4 以上的水平。数量因素的水平幅度取得过窄，结果可能得不到任何有用的信息；过宽，结果会出现危险或试验无法进行下去。最好结合专业知识或通过预试验，对数量因素的水平变动范围有一个初步了解，只要认为在技术上是可行的，一开始就应尽可能取得宽一些。随着试验反复进行和技术情报的积累，再把水平的幅度逐渐缩小。以上两点主要靠专业知识和实践经验来确定，是正交试验设计能够顺利完成的关键。最后列出因素水平表。3、选正交表，进行表头设计 根据因素和水平数来选择
20、合适的正交表。选取原则：1 先看水平数。若各因素全是 2 水平，就选用 L(2*)表；若各因素全是 3 水平，就选用L(3*)表。若各因素的水平数不相同，就选择适用的混合水平表。2 再看正交表列数是否能容下所有因素（包括交互作用）。一般一个因素占一列，交互作用占的列数与水平数有关。要看所选的正交表是否足够大，能否容纳得下所考察的因素和交互作用。为了对试验结果进行方差分析或回归分析，还必须至少留一个空白列，作为“误差”列。3 要看试验精度的要求。若要求精度高，则宜取试验次数多的正交表。4 若试验费用很昂贵，或试验的经费很有限，或人力和时间都比较紧张，则不宜选试验次数太多的正交表。5 按原来考察的
21、因素、水平和交互作用去选择正交表，若无正好适用的正交表可选，简便且可行的办法是适当修改原定的水平数。6 对某因素或某交互作用的影响是否确实存在没有把握的情况下，选择正交表时常为该选大表还是选小表而犹豫。若条件许可，应尽量选用大表，让影响存在的可能性较大的因素和交互作用各占适当的列。某因素或交互作用的影响是否真的存在，留到方差分析进行显著性检验时再做结论。这样既可以减少试验的工作量 老产品降低原材料能源等资源消耗提高产品的产量和质量做到优质高产低消耗即提高经济效益都需要做各种试验凡是试验就存在着如何安排试验如何分析试验结果的问题也就是要解决试验设计的方法问题若试验方案设计正确对试验反之试验方案设计比正确实验结果分析不当就可能增加试验次数延长试验周期造成人力力和时间的浪费不仅难以达到预期的效果甚至造成试验的全盘失败因此如何科学地进行试验设计是一个非常重要的问题一项科学合理的试验安排试验设计顾名思义研究的是有关试验的设计理论与方法通常所说的试验设计是以概率论数理统计及线性代数等为理论基础科学地安排试验方案正确地分析试验结果尽快获得优化方案的一种数学方法一般认为试验设计是统计数学的一