3.2直观分析法ppt课件

2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k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 2 1试验方案设计 实例 为提高山楂原料的利用率 研究酶法液化工艺制造山楂原汁 拟通过正交试验来寻找酶法液化的最佳工艺条件 试验设计前必须明确试验目的 即本次试验要解决什么问题 试验目的确定后 对试验结果如何衡量 即需要确定出试验指标 试验指标可为定量指标 如强度 硬度 产量 出品率 成本等 也可为定性指标如颜色 口感 光泽等 一般为了便于试验结果的分析 定性指标可按相关的标准打分或模糊数学处理进行数量化 将定性指标定量化 1 明确试验目的 确定试验指标 对本试验而言 试验目的是为了提高山楂原料的利用率 所以可以以液化率 液化率 果肉重量 液化后残渣重量 果肉重量 100 为试验指标 来评价液化工艺条件的好坏 液化率越高 山楂原料利用率就越高 根据专业知识 以往的研究结论和经验 从影响试验指标的诸多因素中 通过因果分析筛选出需要考察的试验因素 一般确定试验因素时 应以对试验指标影响大的因素 尚未考察过的因素 尚未完全掌握其规律的因素为先 试验因素选定后 根据所掌握的信息资料和相关知识 确定每个因素的水平 一般以2 4个水平为宜 对主要考察的试验因素 可以多取水平 但不宜过多 6 否则试验次数骤增 因素的水平间距 应根据专业知识和已有的资料 尽可能把水平值取在理想区域 2 选因素 定水平 列因素水平表 对本试验分析 影响山楂液化率的因素很多 如山楂品种 山楂果肉的破碎度 果肉加水量 原料pH值 果胶酶种类 加酶量 酶解温度 酶解时间等等 经全面考虑 最后确定果肉加水量 加酶量 酶解温度和酶解时间为本试验的试验因素 分别记作A B C和D 进行四因素正交试验 各因素均取三个水平 因素水平表见表10 3所示 10 3因素水平表 正交表的选择是正交试验设计的首要问题 确定了因素及其水平后 根据因素 水平及需要考察的交互作用的多少来选择合适的正交表 正交表的选择原则是在能够安排下试验因素和交互作用的前提下 尽可能选用较小的正交表 以减少试验次数 一般情况下 试验因素的水平数应等于正交表中的水平数 因素个数 包括交互作用 应不大于正交表的列数 各因素及交互作用的自由度之和要小于所选正交表的总自由度 以便估计试验误差 若各因素及交互作用的自由度之和等于所选正交表总自由度 则可采用有重复正交试验来估计试验误差 3 选择合适的正交表 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 列 正交表的列数c 因素所占列数 交互作用所占列数 空列 自由度 正交表的总自由度 a 1 因素自由度 交互作用自由度 误差自由度 正交表选择依据 此例有4个3水平因素 可以选用L9 34 或L27 313 因本试验仅考察四个因素对液化率的影响效果 不考察因素间的交互作用 故宜选用L9 34 正交表 若要考察交互作用 则应选用L27 313 所谓表头设计 就是把试验因素和要考察的交互作用分别安排到正交表的各列中去的过程 在不考察交互作用时 各因素可随机安排在各列上 若考察交互作用 就应按所选正交表的交互作用列表安排各因素与交互作用 以防止设计 混杂 此例不考察交互作用 可将加水量 A 加酶量 B 和酶解温度 C 酶解时间 D 依次安排在L9 34 的第1 2 3 4列上 见表10 4所示 4 表头设计 表10 4表头设计 把正交表中安排各因素的列 不包含欲考察的交互作用列 中的每个水平数字换成该因素的实际水平值 便形成了正交试验方案 表10 5 5 编制试验方案 按方案进行试验 记录试验结果 表10 5试验方案及试验结果 说明 试验号并非试验顺序 为了排除误差干扰 试验中可随机进行 安排试验方案时 部分因素的水平可采用随机安排 例10 2鸭肉保鲜天然复合剂的筛选 试验以茶多酚作为天然复合保鲜剂的主要成分 分别添加不同增效剂 被膜剂和不同的浸泡时间 进行4因素4水平正交试验 试设计试验方案 有机酸和盐处理对鸭肉保鲜有明显效果 但大部分属于合成的化学试剂 在卫生安全上得不到保证 并且不符合满足消费者纯天然 无污染的要求 明确目的 确定指标 本例的目的是通过试验 寻找一个最佳的鸭肉天然复合保鲜剂 选因素 定水平 根据专业知识和以前研究结果 选择4个因素 每个因素定4个水平 因素水平表见表10 6 选择正交表 此试验为4因素4水平试验 不考虑交互作用 4因素共占4列 选L16 45 最合适 并有1空列 可以作为试验误差以衡量试验的可靠性 表头设计 4因素任意放置 编制试验方案 试验方案见表10 7 表10 6天然复合保鲜剂筛选试验因素水平表 表10 7天然复合保鲜剂筛选试验方案 2 2试验结果分析 分清各因素及其交互作用的主次顺序 分清哪个是主要因素 哪个是次要因素 判断因素对试验指标影响的显著程度 找出试验因素的优水平和试验范围内的最优组合 即试验因素各取什么水平时 试验指标最好 分析因素与试验指标之间的关系 即当因素变化时 试验指标是如何变化的 找出指标随因素变化的规律和趋势 为进一步试验指明方向 了解各因素之间的交互作用情况 估计试验误差的大小 极差分析方差分析 Kjm kjm 计算简便 直观 简单易懂 是正交试验结果分析最常用方法 以上例为实例来说明极差分析过程 3正交试验的结果分析 3 1直观分析法 极差分析法 极差分析法 R法 1 计算 2 判断 Rj 因素主次 优水平 优组合 Kjm为第j列因素m水平所对应的试验指标和 kjm为Kjm平均值 由kjm大小可以判断第j列因素优水平和优组合 Rj为第j列因素的极差 反映了第j列因素水平波动时 试验指标的变动幅度 Rj越大 说明该因素对试验指标的影响越大 根据Rj大小 可以判断因素的主次顺序 1 确定试验因素的优水平和最优水平组合 分析A因素各水平对试验指标的影响 由表3可以看出 A1的影响反映在第1 2 3号试验中 A2的影响反映在第4 5 6号试验中 A3的影响反映在第7 8 9号试验中 A因素的1水平所对应的试验指标之和为KA1 y1 y2 y3 0 17 24 41 kA1 KA1 3 13 7 A因素的2水平所对应的试验指标之和为KA2 y4 y5 y6 12 47 28 87 kA2 KA2 3 29 A因素的3水平所对应的试验指标之和为KA3 y7 y8 y9 1 18 42 61 kA3 KA3 3 20 3 3 1 1不考察交互作用的试验结果分析 根据正交设计的特性 对A1 A2 A3来说 三组试验的试验条件是完全一样的 综合可比性 可进行直接比较 如果因素A对试验指标无影响时 那么kA1 kA2 kA3应该相等 但由上面的计算可见 kA1 kA2 kA3实际上不相等 说明 A因素的水平变动对试验结果有影响 因此 根据kA1 kA2 kA3的大小可以判断A1 A2 A3对试验指标的影响大小 由于试验指标为液化率 而kA2 kA3 kA1 所以可断定A2为A因素的优水平 同理 可以计算并确定B3 C3 D1分别为B C D因素的优水平 四个因素的优水平组合A2B3C3D1为本试验的最优水平组合 即酶法液化生产山楂清汁的最优工艺条件为加水量50mL 100g 加酶量7mL 100g 酶解温度为50 酶解时间为1 5h 根据极差Rj的大小 可以判断各因素对试验指标的影响主次 本例极差Rj计算结果见表10 8 比较各R值大小 可见RB RA RD RC 所以因素对试验指标影响的主 次顺序是BADC 即加酶量影响最大 其次是加水量和酶解时间 而酶解温度的影响较小 2 确定因素的主次顺序 以各因素水平为横坐标 试验指标的平均值 kjm 为纵坐标 绘制因素与指标趋势图 由因素与指标趋势图可以更直观地看出试验指标随着因素水平的变化而变化的趋势 可为进一步试验指明方向 3 绘制因素与指标趋势图 以上即为正交试验极差分析的基本程序与方法 表10 8试验结果分析 表10 8试验结果分析 2 计算各因素同一水平的平均值Ki K1 36 20 K2 33 27 K3 32 34 K4 31 83 例10 2试验结果极差分析 1 计算Ki值 Ki为同一水平之和 以第一列A因素为例 K1 36 20 31 77 38 79 38 02 144 78K2 31 54 35 02 30 90 35 62 133 08K3 30 09 32 37 32 87 34 02 129 35K4 29 32 32 64 34 54 32 80 129 30 3 计算各因素的极差R R表示该因素在其取值范围内试验指标变化的幅度 R max Ki min Ki 4 根据极差大小 判断因素的主次影响顺序 R越大 表示该因素的水平变化对试验指标的影响越大 因素越重要 由以上分析可见 因素影响主次顺序为A C B D A因素影响最大 为主要因素 D因素为不重要因素 5 做因素与指标趋势图 直观分析出指标与各因素水平波动的关系 6 选优组合 即根据各因素各水平的平均值确定优水平 进而选出优组合 本例A B C为主要因素 按照平均值大小选取优水平为A1B1C4 即茶多酚用量取0 1 水平 以0 5 维生素C作为增效剂 1 0 葡萄糖液为被膜剂为形成的鸭肉保鲜复合剂为优组合 而浸泡时间为次要因素 选取操作时间1 3min即可 表10 9鸭肉保鲜天然复合剂筛选试验结果 附1 多指标正交试验极差分析 对于多指标试验 方案设计和实施与单指标试验相同 不同在于每做一次试验 都需要对考察指标一一测试 分别记录 试验结果分析时 也要对考察指标一一分析 然后综合评衡 确定出优条件 油炸方便面生产中 主要原料质量和主要工艺参数对产品质量有影响 通过试验确定最佳生产条件 1 试验方案设计 确定试验指标 本试验目的是探讨方便面生产的最佳工艺条件 以提高方便面的质量 试验以脂肪含量 水分含量和复水时间指标 脂肪含量越低越好 水分含量越高越好 复水时间越短越好 挑因素 选水平 列因素水平表 根据专业知识和实践经验 确定试验因素和水平见表10 10 表10 10因素水平表 选正交表 设计表头 编制试验方案 本试验为四因素三水平试验 不考虑交互作用 选L9 34 安排试验 表头设计和试验方案以及试验结果记录见表 2 试验结果分析 计算各因素各水平下每种试验指标的数据和以及平均值 并计算极差R 根据极差大小列出各指标下的因素主次顺序 试验指标 主次顺序脂肪含量 ACDB水分含量 CDAB复水时间 s ADBC 表10 11试验结果极差分析表 初选优化工艺条件 根据各指标不同水平平均值确定各因素的优化水平组合 脂肪含量 A3B3C1D2水分含量 A1B2C1D1复水时间 s A2B2C2D3 综合平衡确定最优工艺条件 以上三指标单独分析出的优化条件不一致 必须根据因素的影响主次 综合考虑 确定最佳工艺条件 对于因素A 其对粗脂肪影响大小排第一位 此时取A3 其对复水时间影响也排第一位 取A2 而其对水分影响排次要第三位 为次要因素 因此A可取A2或A3 但取A2时 复水时间比取A3缩短了14 而粗脂肪增加了11 3 且由水分指标看 取A2比A3水分高 故A因素取A2 同理可分析B取B2 C取C1 D取D3