多指标问题及正交表在试验设计中的灵活运用.ppt

3 1多指标问题的处理 单指标试验 衡量试验效果的指标只有一个多指标试验 衡量试验效果的指标有多个多个指标之间又可能存在一定的矛盾 这时需要兼顾各个指标 寻找使得每个指标都尽可能好的生产条件一 综合评分法在对各个指标逐个测定后 按照由具体情况确定的原则 对各个指标综合评分 将各个指标综合为单指标 此方法关键在于评分的标准要合理 例3 1白地雷核酸生产工艺的试验试验目的 原来生产中核酸的得率太低 成本太高 甚至造成亏损 试验目的是提高含量 寻找好的工艺条件 本例介绍由北京大学生物系与生产厂联合攻关中的第一批L9 34 正交试验的情况 因素 水平表 试验方案及结果分析 分数 2 5 纯度 0 5 回收率 2 5 17 8 0 5 29 8 59 4 50454035 A1A2A3B1B2B3C1C2C3D1D2D3 因素 指标 指标 得分 因素图 从图上和表上的极差都可以看出 因素的主次为 所以 A取A1 D取D1 PH值选取便于操作的水平C2 B取B3 故 最优条件为 A1B3C2D1 事实上 试验结果也证明 上述最优条件效果很好 投产后核酸质量得到显著提高 做到了不经提纯一次可以入库 二 综合平衡法 1 对各个指标进行分析 与单指标的分析方法完全一样 找出各个指标的最优生产条件 2 将各个指标的最优生产条件综合平衡 找出兼顾每个指标都尽可能好的条件 实例说明 例3 2液体葡萄糖生产工艺最佳条件选取试验目的 生产中存在的主要问题是出率低 质量不稳定 经过问题分析 认为影响出率 质量的关键在于调粉 糖化这两个工段 决定将其它工段的条件固定 对调粉 糖化的工艺条件进行探索 1 出率 越高越好 2 总还原糖 在32 40 之间 3 明度 比浊度越小越好 不得大于300mg l 4 色泽 比色度越小越好 不得大于20ml 因素 水平表 11301110107010401010 A1A2A3B1B2B3C1C2C3D1D2D3 因素 产量 斤 指标 因素图 1 42383430 A1A2A3B1B2B3C1C2C3D1D2D3 因素 还原糖含量 指标 因素图 2 450390330270210150 A1A2A3B1B2B3C1C2C3D1D2D3 因素 明度 mg 指标 因素图 3 33272115 A1A2A3B1B2B3C1C2C3D1D2D3 因素 色泽 ml 指标 因素图 4 四个因素对四个指标的主次关系为 产量 D C A B还原糖 B D A C明度 A B C D色泽 B A C D 工作压力对产量影响最大 取D3最好 但它的色泽不好 用2 7产量会低一些 但其余指标都还比较好 因此确定为D2 稳压时间对四个指标来说 对产量影响最大 对还原糖没有什么影响 对明度 色泽影响也不大 照顾产量应选C2 5分钟 但此时色泽 明度都不好 考虑将时间延长一些 定为5 7分钟 最后得出最优条件为 A2B2C2D2事实上 结果证明采用后各项指标都有明显提高 镍铁合金电镀 应用举例 低盐浓度光亮镍铁合金镀液配方因素 水平表 实验以电沉积速度和合金光亮度为指标 该配方的添加剂与电沉积工艺参数氯化钠 20 25 g l 柠檬酸钠 3 4g l 糖精钠 3g l 791 光亮剂 4 6g l 十二烷基苯磺酸钠 0 05 0 1g l 柠檬酸 适量 阳极面积 Ni Fe 4 1 阴极与阳极面积比 Cu Fe Ni为1 2 8 温度 50 55 时间 50min 根据正交设计法 对配方选取六因素五水平的正交试验表 实验以电沉积速度和合金镀层光亮度为指标 Ni Fe合金镀层的外观采用目测评分方法来检测 其标准定为 灰黑 黑点 发灰 麻点 不光亮 针孔 较光亮 光亮 准镜面 镜面 4 5 6 7 8 9 10 正交实验结果及分析如表3 6与表3 7所示 从上述正交实验的结果可得出六个因素对两个指标的主次关系为 1 镀速 FACDFE 2 光亮度 ACBFED电沉积的最佳工艺水平 镀速 F5A5C4D2E5B4 光亮度 A4C5B4F4E4D2 综合两个指标后 得出最佳工艺水平为 A4B4C4D2E4F4 综合考察四个指标 还原糖含量要求在32 40 之间 从趋势及因素主次知道B的影响最重要 取1 5和2 5都不行 只有选2 0最合适 B取B2最好 从色泽来看 B最重要 而且仍然以B2最好 从明度来看 B为次要因素 但也仍以B2为好 因此可确定B2是最优水平 粉浆浓度A对产量影响很大 取A1最好 但对于明度来说 取A1时大于300不合适 浓度A2时比A1略低一些 但其它指标 除色泽外 都能达到要求 因此粉浆浓度定位A2 即电沉积光亮镍铁合金的最佳配方及工艺条件为 硫酸镍 NiSO4 7H2O 25g l 硫酸亚铁 FeSO4 7H2O 3 5g l 硼酸H3BO3 9g l 3 2水平数不同的正交表的使用 一 直接套用混和正交表例3 3为了探索某胶压板的制造工艺 因素 水平如下表 此试验方案可以直接套用混和正交表L8 4 24 试验方案及计算结果表 试验方案及计算结果表 续表 因素水平完全一样时 因素的主次关系完全由极差R的大小来决定 当水平数不完全一样时 直接比较时不行的 因为量因素对指标有同等影响时 水平多的因素极差应大一些 因此要用系数对极差进行折算 折算后用R 的大小衡量因素的主次 R 的计算公式为 由上计算可知因素主次顺序为 然后可用前面所讲的方差分析法分析即可得出结果 二 并列法对于有混和水平的问题 除了直接应用混和水平的正交表外 还可以将原来已知正交表加以适当的改造 得到新的混和水平的正交表 L8 4 24 表就是由L8 27 改造而来 1 首先从L8 27 中随便选两列 例如1 2列 讲次两列同横行组成的8个数对 恰好4种不同搭配各出现两次 我们把每种搭配用一个数字来表示 2 于是1 2列合起来形成一个具有4水平的新列 再将1 2列的交互作用列第3列从正交表中去除 因为它已不能再安排任何因素 这样就等于将1 2 3列合并成新的一个4水平列 显然 新的表L8 4 24 仍然是一张正交表 不难验证 它仍然具有正交表均衡分散 整齐可比的性质 1 任一列中各水平出现的次数相同 四水平列中 各水平出现二次 二水平列各水平出现四次 2 任意两列中各横行的有序数对出现的次数相同 对于两个二水平列 显然满足 对一列四水平 一列二水平 它们各横行的八种不同搭配 1 1 1 2 2 1 2 2 3 1 3 2 4 1 4 2 各出现一次 例3 4聚氨酯合成橡胶的试验中 要考察A B C D对抗张强度的影响 其中因素A取4水平 因素B C D均取二水平 还需要考察交互作用A B A C 显然这是一个41 23因素的试验设计问题 自由度计算如下 fA 4 1 3fB fC fD 2 1 1fA B fA C 4 1 2 1 3f总 3 3 1 2 3 12故可以选用L16 215 改造得到的L16 41 212 混和正交表安排试验 表头设计如下 三 拟水平法 拟水平法是将水平数少的因素纳入水平数多的正交表中的一种设计方法 例3 5对例1 1的转化率试验 如果除已考虑的温度 A 时间 B 用碱量 C 外还要考虑搅拌速度 D 的影响 而电磁搅拌器只有快慢两挡 即因素D只有两个水平 这是一项四因素的混合水平试验 如果套用现成的正交表 则以L18 21 37 为宜 但由于人为物力所限 18次试验太多了 能否用L9 34 来安排呢 这是可以的 解决的办法给搅拌速度凑足三个水平 这个凑足的水平叫拟水平 我们让搅拌速度快的 或慢的 一档多重复一次 凑成三个水平 ST SA SB SC的计算与原来相同 只是SD的计算不同试验方案及结果计算表见3 19 显然 因素D的影响是不显著的 可将它与误差合并 因此方差分析表与表2 5完全一样 通过此例我们可看到拟水平法有如下特点 1 每个水平的试验次数不一样 转化率的试验 D1的试验有6次 而D2的试验只有3次 通常把预计比较好的水平试验次数多一些 预计比较差的水平试验次数少一些 2 自由度小于所在正交表的自由度 因此D占了L9 34 的第四列 但它的自由度fD 1小于第四列的自由度fD 2 就是说 D虽然占了第四列 但没有占满 没有占满的地方就是试验误差 还需作两点说明 1 因素D由于和其他因素的水平数不同 用极差R来比较因素的主次是不恰当的 但用方差分析法仍能得到可靠的结果 2 虽然拟水平法扩大了正交表的使用范围 但值得注意的是 正交表经拟水平改造后不再是一张正交表了 它失去了各因素的各水平之间的均衡搭配的性质 这是和并列法所不同的 四 混和水平有交互作用的正交设计例3 5有一试验需要考虑A B C D四个因素 其中A为四水平因素 B C D都为二水平因素 还需要考虑它们的交互作用A B A C B C试验安排 f总 4 1 3 2 1 2 4 1 2 1 2 1 2 1 13故选用L16 215 正交表 1 将L16 215 中的第1 2 3列改造为四水平的 得到L16 41 212 表 2 将A占1 2 3列 如果B放第4列 则由交互作用表知 1 4 5 2 4 6 3 4 7 于是A B要占5 6 7三列 3 将C排在第8列 可以查得 1 8 9 2 8 10 3 8 11 于是A C要占9 10 11三列 4 B在第4列 C在第8列 4 8 12 B C放12列 4 D可以安排在剩余的任何一列 假如放在第15列 表头设计如下 该表头设计也可以有其它方式 比如 3 3活动水平与组合因素法 一 活动水平法在多因素试验中 有事两因素和多因素直接存在着相互依存的关系 即一个因素的水平的选取将由另一因素的水平来决定 或者一因素水平的选取将随着另一因素水平的选取情况而变化 此时可采用活动水平法 例3 7镀银工艺试验试验目的 寻找好的镀银槽液配方和相应的工艺条件 因素和水平 因素有五个槽液配方 硝酸银用量 氰化钾 KCN 用量 硫代硫酸铵用量工艺条件 温度 电流密度硝酸银的用量想比较两个水平 150克 升和100克 升 但是氰化钾的用量也取两个固定水平就不合适了 硝酸银多了 氰化钾也必须多 硝酸银少了氰化钾也要少 如果固定氰化钾的两个水平是250克 升和160克 升 于是就会出现下面四种水平搭配 有实际经验的技术人员很快可断定 2 3 号的配是不合适的 氰化钾的用量总的来说是随硝酸银的用量改变的 但是当硝酸银的用量固定后 氰化钾的用量也还有一个多 少问题 例如 硝酸银固定为100克 升 此时氰化钾用167克 升好呢 还是用183克 升好呢 氰化钾少用一些好呢 还是多用一些好 另外当硝酸银用150克 升 氰化钾的用量也还有一个多 少问题 氰化钾的用量这个因素的两个水平取为 少 多 而它的少 多的量是随硝酸银的用量改变的 可表示如下 表中的虚线部分详细地说明了KCN用量这个因素的少与多的具体内容 这样选水平的方法就称为活动水平法 KCN用量这个因素就称为活动水平的因素 在本例中 电流密度也是一个活动水平的因素 它随温度的高低而变化 二 组合因素法在试验工作中 力求通过尽可能少的试验次数并活得与其的效果 在用正交试验设计安排试验时 减少试验次数的有效方法就是把两个或两个椅上的因素组合起来当作一因素看待 组合成的这个因素叫组合因素 采用组合因素法时 安排试验和试验结果分析的方法和一般正交试验相同 3 4分割试验法 分割试验法又称为裂区法分割试验的基本思想 在比较复杂的试验中 要经过好几道工序才能得出结果 这些工序重复起来难易不等 为了对这类试验进行设计 我们可以既按照工序的先后 又按照工序重复的难易成度 把因素区分为一级因素 二级因素 三级因素等 安排试验时 尽可能使重复困难的工序少做试验 而让重复容易的工序多做些试验 例3 8人造丝制造工艺大致由原液工序 纺丝工序 加工工序三部分组成 为了提高人造丝的强度进行工业试验 提出A 2水平 B 2水平 C 2水平 作为原液工序因素 提出D 2水平 E 2水平 作为加工工序因素 假定因素间无交互作用 因此可用L8 27 正交表安排试验 为节约试验材料 可进行分割试验 把A B C作为一级因素 D E作为二级因素 也就是说 当A B C的某一特定组合所构成的原液工序的一批产品送往加工工序 这样L8 27 的试验就不要用8批人造丝原液了 由上可见 只要生产A1B1CI A1B2C2 A2B1C2 A2B2C1四批原液 再把各批源液分成两份就行了 这样就达到了分割试验的目的 例3 10有A B C D四个因素 每个都有两个水平 A B是一级因素 它们没有交互作用 试验如何安排 仔细观察正交表L8 27 可以发现 第1 2列的水平号从上往下是成对的出现 这样 我们把因素A B分别配置在1 2 3列上 剩下的配D E 如6 7列 试验时 只要生产A1B1 A1B2 A2B1 A2B2四批原液 再把各原液分成两分即可 这样达到了分割试验的目的 123 4567CD 作F检验时 一级因素用一级误差来检验 二级因素用二级误差来检验 如果Se1 Se2不显著时 也可以将两项合并 作为共同的误差估计 例3 10设有A B C D E F六个因素 其中A B A D B D存在交互作用 A 一级因素B C 二级因素D E F 三级因素f总 6 2 1 3 2 1 2 1 9故需要选用L16 215 来安排试验 L16 215 的分组情况 不同级的因素不能放在同一组 表头设计如下 第2组没有安排试验 是为了给一级误差有一个估计 正交表分割试验安排 正交分割试验步骤 1 把因素分为一级 二级 等 2 选择适当正交表 把一级因素安排在第一组 或一 二组 二级因素安排在后面一组 依次类推 不同级的因素不可在同组 3 有些交互作用不可忽略 设计时要注意不要让它和因素混杂 分割法交互作用规律 1 如果两个因素在不同组 则交互作用一定在两因素中的较高的一组 2 属于同一组的二因素的交互作用 其全部和一部分落在比它低的组中 方差分析时先算出各列的平方和 3 5部分追加法试验设计 在完成一组正交试验设计的试验和分析之后 若对某一显著因素的新水平感兴趣 则希望对新水平进行试验 但再做一组正交试验比较麻烦 而部分追加法试验设计可避免这种麻烦 这种方法在设计试验时还可把多下来的水平按此法进行处理 表3 33给出了这种试验设计结果 因素B C D为两水平 A为五水平 A的1 4四个水平采用本章第二节的方法安排在内 1 3 列组成的四水平新列内 A5则将4水平再重复两次 即第9 10两次试验 这样就完成了部分追加法试验设计 表3 33部分追加法试验设计表 2 部分追加法试验结果计算由于把10次试验设想成16次试验 因此计算时应按以下方法进行 1 平方和计算SA 1 4 A12 A22 A32 1 2 A42 A52 G2 16SB 1 16 B1 B2 2SC 1 16 C1 C2 2SD 1 16 D1 D2 2ST 2 x12 x22 x32 x42 x52 x62 x72 x82 x92 x102 G2 16Se ST SA SB SC SD 2 修正系数k的计算而误差平方和修正系数按下式计算 式中N 选用的正交表试验次数 P 正交表中安排的水平数 P 追加实验安排的水平数 M 实际完成的试验次数 3 6配比试验和寿命试验一 配比试验如果对试验的总量不加限制 这就是所谓的配方试验 如果限定总量必须是指定的数量 那么 这时的配方问题等价于配比问题 两者相互完全决定 即配方决定一组配比 反过来 配比决定出配方 一组配方等价于一组配比加上总用量 一 电缆料配方该厂选用了A B C三种增塑剂 根据国内 外的生产经验已知 当PVC树脂为100份时 增塑剂应取46份 那么A B C应各取几份搭配在一起才好呢 他们用单因素轮换法作试验 确定了A为18份 B为10份 C为18份 此时 电缆料的各项性能都达到了英国标准 这时该厂学习了正交试验法 他们决定要用正交试验法来降低生产成本 由于三种增塑剂的价格不等 C的价格最高 A的价格次之 B的价格最低 因此正交试验的目的是试图减少C的用量比较 加大B的用量比较 寻找既要满足性能指标 又要降低成本的配方 排出因素水平表3 36所示 二 实验方案 1 配比试验方案 在电缆料的配方中 增塑剂的总份数应为46份 但是 在上面的配比试验方案中 有些试验条件的三种增塑剂的总份数A B C不为46份 不能直接作试验 比如 第3号试验条件的增塑剂总份数为15 10 12 37 46份 须作调整 使增塑剂的总份数为46份 做调整如下 A 15 46 37 18 7 份 B 10 46 37 12 4 份 C 12 46 37 14 9 份 从计算结果看出 A B C均以中等用量较好 其中C的15份比原配方的18份有所减少 节约了成本 最后 又围绕 算一算 好条件安排了第二批试验 找到了增塑剂的较好配方 在成本上比第一批的最好条件又有所下降 经济效益十分显著 二 寿命试验 3 7误差与重复一 误差与重复在大多数实验中 当观察到的条件保持不变时 试验结果仍具有一定程度的误差 如果已经知道结果很准确 即误差很小 那么 可以不做相同条件的重复试验 否则 当做完正交试验后 应该对其中少数的好条件做些重复试验 后面这句话有两点含义 一是通过重复能看出误差的大小 二是好结果值得核实 而不必重复差的条件 经过重复 如果误差很小 这意味着干扰不大 容易看出条件的好或差 现在因为误差大 经过一批正交试验 有时候还看不出用量的真正偏向 有时候想在不改变因素与水平的范围内 由稀到密地增加试验条件 遇到这种情形 可以按照几张不同的小表合成一张大表的办法继续试验 例如 附录中L8 27 的前三列被虚线分成两个L4 23 上面四行正好是第一表的那个L4 23 做完它后 可接着做下面四行的另一个L4 23 因素与列 水平号码与用量之间的对应关系一律不变 又如做完一个L8 27 后 可接着做表L16 215 下面8行的另一个L8 27 L27 313 的前四列被虚线分成三个L9 34 做完第一个L9 34 后 可接着做中间9行的第二个L9 34 甚至还可再做下面9行的第三个L9 34 其他的大表套小表 依此