《正交实验设计》PPT课件.ppt

实验设计及数据分析 2011 11 29 第六章正交试验设计 教学目的与要求 理解正交试验的基本原理和用途 熟练掌握正交设计的基本方法和步骤 学会正交试验分析的两种方法 熟练对不同模式的分析 能正确进行表头设计 第六章正交试验设计 对于单因素或两因素试验 因其因素少 试验的设计 实施与分析都比较简单 但在实际工作中 常常需要同时考察3个或3个以上的试验因素 若进行全面试验 则试验的规模将很大 往往因试验条件的限制而难于实施 正交试验设计就是安排多因素试验 寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法 La bc 正交设计 试验总次数 行数 因素水平数 因素个数 列数 等水平正交表La bc 第三节正交试验设计的基本程序 对于多因素试验 正交试验设计是简单常用的一种试验设计方法 其设计基本程序如图所示 正交试验设计的基本程序包括试验方案设计及试验结果分析两部分 试验目的与要求 试验指标 选因素 定水平 因素 水平确定 选择合适正交表 表头设计 列试验方案 试验方案设计 试验结果分析 进行试验 记录试验结果 试验结果极差分析 计算K值 计算值 计算极差R 绘制因素指标趋势图 优水平 因素主次顺序 优组合 结论 试验结果分析 试验结果方差分析 列方差分析表 进行F检验 计算各列偏差平方和 自由度 分析检验结果 写出结论 一 无交互作用的正交试验的极差分析 例1一种新型食品乳化剂 通过酯化反应制得 现对其合成工艺进行优化 以提高乳化剂的乳化能力 第四节正交试验设计的极差分析法 j j Excel在极差分析中应用 7 优方案的确定 优方案 在所做的试验范围内 各因素较优的水平组合若指标越大越好 应选取使指标大的水平若指标越小越好 应选取使指标小的水平还应考虑 降低消耗 提高效率等 8 进行验证试验 作进一步的分析 优方案往往不包含在正交试验方案中 应验证优方案是在给定的因素和水平的条件下得到的 若不限定给定的水平 有可能得到更好的实验方案对所选的因素和水平进行适当的调整 以找到新的更优方案趋势图 正交试验设计及结果分析的基本步骤 1 明确实验目的 确定评价指标 2 挑选因素 包括交互作用 确定水平 3 选正交表 4 进行表头设计 5 明确试验方案 进行试验 得到结果 6 对试验结果进行统计分析 7 优方案的确定 8 进行验证试验 作进一步分析 试验设计 结果分析 例6 4合成氨最佳工艺条件试验 二 有交互作用的正交试验的极差分析 例6 5工件的渗碳层深度要求为1mm 0 25mm 要通过试验考察的因素与水平如表6 12 还要考察交互作用A B B C 第四节正交试验设计的极差分析法 列号1234567 因子 B C 空列 1 2 3 4 5 6 7 1 3 2 5 4 7 6 2 1 6 7 4 5 3 7 6 5 4 4 1 2 3 5 3 2 6 1 7 列号 列号 L8 27 的交互作用表 第五节正交试验设计的方差分析法 能估计误差的大小能精确地估计各因素的实验结果影响的重要程度Excel在方差分析中应用Spss软件在方差分析中应用 例2硫酸法提取鲤鱼抗菌精蛋白试验 以不同浓度的硫酸在不同温度和时间条件下提取抗菌精蛋白 且每个因素都取4个水平 并以所提取鲤鱼抗菌精蛋白的得率为测定指标 以评价提取的效果 第五节正交试验设计的方差分析法 使用SPSS生成正交表 第一步 打开SPSS 选择Data 在OrthogonalDesign Generate 图5 1GenerateOrthogonalDesign对话框 数据分析 打开Analyze 在GeneralLinearModel选项中 单击Univariate项 在给出的数据框中 选中 result 选入DependentVariable框中 选中 a b c三项 选入FixedFactor s 框中 检验结果 结果分析 方差分析结果表明 A因素 硫酸浓度 为极显著因素 多重比较结果表明 A的最优水平为A3 但A4与之差异不显著 即10 的硫酸 对于B和C因素 由于各水平间差异不显著 所以理论上讲可在各自所取的水平范围内任取一水平 实践中则可从操作的难易度 成本的经济性 试验条件的可行性等方面综合考虑而定 例1 一种新型食品乳化剂 通过酯化反应制得 现对其合成工艺进行优化 以提高乳化剂的乳化能力 根据探索性试验 确定的因素与水平如下表 单指标 乳化能力因素水平 3因素3水平 假定因素间无交互作用 最佳水平组合 A2B2C2 120 2h 催化剂乙 SPSS软件在无空列的数据中的应用 正交试验中为了方差分析的方便 在进行表头设计时一般要求留有空列 作为误差列 无空白列时 误差只能从重复试验来获得 例3蒋盛岩等依据真菌生长的营养要求 按正交试验设计方法安排实验 以菌丝体直径为量化指标 从中选取最佳碳源 氮源 无机离子及其它因子的搭配方案 确定亚稀褶黑菇菌丝体的最适培养基 实验结果见表6 10 从表直观分析 各因素水平的优劣顺序是 A3 A1 A2 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D2 D3 D1 从方差分析结果表可见 A B C D4因素均对实验结果有极显著性影响 即碳源 氮源 无机离子及其它因子的用量均能极显著影响菌丝体的直径 p 0 01 最佳水平组合是A3B1C1D2 单指标试验 多指标试验 衡量试验效果的指标只有一个 衡量试验效果的指标有多个 科学试验 第六节多指标问题及正交表在试验设计中的灵活运用 多指标试验 多个指标之间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 多指标问题处理方法 综合评分法 综合平衡法 排队评分法 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 将多个指标综合为单指标 将各个指标的最优条件综合平衡 找出兼顾每个指标都尽可能好的条件 综合各个指标 按效果好坏 进行排队打分 这也是将多个指标转化为单指标 三种方法综合应用 1 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 将多个指标综合为单指标 此方法关键在于评分的标准要合理 评分标准即权值 综合评分法也称加权评分法 得分 K1 第一个指标 Kn 第n个指标值 K为常数 第六节多指标问题及正交表在试验设计中的灵活运用 例4 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 L9 34 因素 水平表 第六节多指标问题及正交表在试验设计中的灵活运用 列号 试验号 123456789K1K2K3k1k2k3R A1 B1 C3 D4 L9 34 256 1108 2113 236 137 715 915 9 128 4116 3132 642 838 844 25 4 127 3131 1118 942 443 739 64 1 143 7127 5106 247 942 535 412 5 试验指标 10纯度 200回收率 17 812 26 28 04 54 18 57 34 4 29 841 359 924 350 658 230 920 473 4 59 451 245 532 236 639 436 828 547 7 综合评分 1 核酸泥纯度 2 纯核酸回收率 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 极差判断因素主次 A D B C 50454035 A3A2A1B3B2B1C3C2C1D3D2D1 因素 指标 指标 得分 因素趋势图 最优条件 A1B3C2D1 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 2 综合平衡法 综合平衡法先对每个指标分别进行单指标的直观分析对各指标的分析结果进行综合比较和分析 得出较优方案 第六节多指标问题及正交表在试验设计中的灵活运用 例5 三个指标 提取物得率总黄酮含量葛根素含量三个指标都是越大越好 对三个指标分别进行直观分析 提取物得率 因素