正交实验计算方法

1、正父试验设计方法1 2021-12-17 12：59：39标签：正交设计杂谈分类：其他5. 1试验设计方法概述试验设计是数理统计学的一个重要的分 支。多数数理统计方法主要用于分析已经 得到的数据，而试验设计却是用于决定数 据收集的方法。试验设计方法主要讨论如 何合理地安排试验以及试验所得的数据 如何分析等。例5-1某化工厂想提高某化工产品的质 量和产量，对工艺中三个主要因素各按三 个水平进行试验见表 5-1。试验的目的 是为提高合格产品的产量，寻求最适宜的 操作条件。表5- 1因素水平水 平因 素温 度C压力Pa加碱量kg符Tpm号1Ti 80 P1m 12T2100P2m23T3120P3m

2、3对此实例该如何进行试验方案的设计呢很容易想到的是全面搭配法方案如图5-1 所示：此方案数据点分布的均匀性极好，因素 和水平的搭配十分全面，唯一的缺点是实 验次数多达33= 27次指数3代表3个因 素，底数3代表每因素有3个水平。因 素、水平数愈多，那么实验次数就愈多，例 如，做一个6因素3水平的试验，就需36 =729次实验，显然难以做到。因此需要 寻找一种适宜的试验设计方法。图5- 1全面搭配法方案 试验设计方法常用的术语定义如下。试验指标：指作为试验研究过程的因变量， 常为试验结果特征的量如得率、纯度 等。例1的试验指标为合格产品的产量。因素：指作试验研究过程的自变量，常常 是造成试验指

3、标按某种规律发生变化的 那些原因。如例1的温度、压力、碱的用 量。水平：指试验中因素所处的具体状态或情 况，又称为等级。如例1的温度有3个水 平。温度用T表示，下标1、2、3表示因 素的不同水平，分别记为 T1、T2、T3。常用的试验设计方法有：正交试验设计 法、均匀试验设计法、单纯形优化法、双 水平单纯形优化法、回归正交设计法、序 贯试验设计法等。可供选择的试验方法很 多，各种试验设计方法都有其一定的特 点。所面对的任务与要解决的问题不同， 选择的试验设计方法也应有所不同。由于 篇幅的限制，我们只讨论正交试验设计方 法。5 2 正交试验设计方法的优点和特点 用正交表安排多因素试验的方法，称为

4、正 交试验设计法。其特点为：完成试验要 求所需的实验次数少。数据点的分布很 均匀。可用相应的极差分析方法、方差 分析方法、回归分析方法等对试验结果进 行分析，引出许多有价值的结论。从例 1 可看出，采用全面搭配法方案，需 做 27 次实验。那么采用简单比拟法方案 又如何呢先固定Ti和pi，只改变m，观察因素m 不同水平的影响，做了如图 2-2 (1)所示 的三次实验，发现 m = m2时的实验效果 最好(好的用 口表示)，合格产品的产 量最高，因此认为在后面的实验中因素m应取m2水平。HPf：-A吧rMJBL11(1 )t(2)1码1(3 )H 5图5-2简单比拟法方案情案固定Ti和m2，改变

5、p的三次实验如图5- 2 (2)所示，发现p= p3时的实验效果最 好，因此认为因素p应取P3水平。固定p3和m2，改变T的三次实验如图 5-2 (3)所示，发现因素T宜取T2水平。 因此可以引出结论：为提高合格产品的产 量，最适宜的操作条件为T2p 3 m2。与全面 搭配法方案相比，简单比拟法方案的优点 是实验的次数少，只需做 9 次实验。但必 须指出，简单比拟法方案的试验结果是不 可靠的。因为，在改变 m值(或p值， 或T值)的三次实验中，说 m2 (或p3或 T2 )水平最好是有条件的。在 T工，p 工p 1时，m2水平不是最好的可能性是有 的。在改变m的三次实验中，固定T = T2，p

6、 =卩3应该说也是可以的，是随意 的，故在此方案中数据点的分布的均匀性 是毫无保障的。用这种方法比拟条件好 坏时，只是对单个的试验数据进行数值上 的简单比拟，不能排除必然存在的试验数 据误差的干扰。运用正交试验设计方法，不仅兼有上述两 个方案的优点，而且实验次数少，数据点 分布均匀，结论的可靠性较好。正交试验设计方法是用正交表来安排试 验的。对于例 1 适用的正交表是 L9( 34)， 其试验安排见表 5-2。所有的正交表与 L9( 34)正交表一样，都具有以下两个特点：(1) 在每一列中，各个不同的数字出现的次数相同。在表L9(34)中，每一列有三个水平，水平1、2、3都是各出现3 次。(2

7、) 表中任意两列并列在一起形成假设 干个数字对，不同数字对出现的次数也都 相同。在表Lq(34)中，任意两列并列在 一起形成的数字对共有9个：(1,1),(1,2)，(1.3) , (2,1), (2,2), (2,3), (3,1), (3,2)，(3.3) ，每一个数字对各出现一次。表5 2试验安排表列号1234试验 号因素温 度C压力Pa加碱量kg符号TPm11 (T1)1(P1)1 (m1)121 (T1)2 ( P2)2 (m2)231 Ti3 p33 m3342 T21 pi2 m2352 T22 p23 m3162 T23 p31 mi273 T31 pi3 m3283 T32P

8、21 m1393 T33P32 m21这两个特点称为正交性。正是由于正交 表具有上述特点，就保证了用正交表安排 的试验方案中因素水平是均衡搭配的，数 据点的分布是均匀的。因素、水平数愈多， 运用正交试验设计方法，愈发能显示出它 的优越性，如上述提到的 6因素3水平试 验，用全面搭配方案需729次，假设用正交 表L27 313来安排，那么只需做27次试验。在化工生产中，因素之间常有交互作用如果上述的因素 T 的数值和水平发生变化 时，试验指标随因素 p 变化的规律也发生 变化，或反过来，因素 p 的数值和水平发 生变化时，试验指标随因素 T 变化的规律 也发生变化。这种情况称为因素T、 p 间有

9、交互作用，记为Tx p。5 3 正交表 使用正交设计方法进行试验方案的设计， 就必须用到正交表。正交表请查阅有关参 考书。5.3.1 各列水平数均相同的正交表各列水平数均相同的正交表，也称单一水 平正交表。这类正交表名称的写法举例如 下：L 93 4 正交表的列数每一列的水平数实验的次数正交表的代号各列水平均为 2 的常用正交表有： L4 23， L827，L12211，L16215，L20219， L32231。各列水平数均为 3 的常用正交表有： L9 34，L27313。各列水平数均为 4 的常用正交表有： L16 45各列水平数均为 3 的常用正交表有： L25565.3.2 混合水平

10、正交表L 8 41x2 22 水平列的列数为 44 水平列的列数为 1 实验的次数 正交表的代号各列水平数不相同的正交表，叫混合水平 正交表，下面就是一个混合水平正交表名 称的写法：L 8 (41x 24)常简写为L 8 (4X 24)。此混 合水平正交表含有 1 个 4 水平列， 4 个 2 水平列，共有1 + 4= 5列。5.3.3 选择正交表的根本原那么 一般都是先确定试验的因素、水平和交互 作用，后选择适用的 L 表。在确定因素的 水平数时，主要因素宜多安排几个水平， 次要因素可少安排几个水平。( 1 )先看水平数。 假设各因素全是 2 水平，*就选用L(2 )表；假设各因素全是3水平

11、，就 选 L3 表。假设各因素的水平数不相同， 就 选择适用的混合水平表。2每一个交互作用在正交表中应占一 列或二列。要看所选的正交表是否足够 大，能否容纳得下所考虑的因素和交互作 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，在极差分析中要作为 “其他因素 列处理。3要看试验精度的要求。假设要求高， 那么宜取实验次数多的 L 表。4假设试验费用很昂贵，或试验的经费 很有限，或人力和时间都比拟紧张，那么不 宜选实验次数太多的 L 表。5按原来考虑的因素、水平和交互作 用去选择正交表，假设无正好适用的正交表 可选，简便且可行的方法是适当修改原定 的水平数。

12、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 L 表时 常为该选大表还是选小表而犹豫。假设条件 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。某因素或某交互作用的影响是否真的 存在，留到方差分析进行显着性检验时再 做结论。这样既可以减少试验的工作量， 又不致于漏掉重要的信息。5.3.4 正交表的表头设计所谓表头设计，就是确定试验所考虑的因 素和交互作用，在正交表中该放在哪一列 的问题。1有交互作用时，表头设计那么必须严 格地按规定办事。因篇幅限制，此处不讨 论，请查阅有关书籍。2假设试验不考虑交互作用，那么表头设 计可以是任意的。 如在例 5-1 中，对