試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

老師：邵青農(nóng)業(yè)領(lǐng)域道路

橋梁

工業(yè)產(chǎn)品

第一章緒論

第一節(jié)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理的概念和意義（一）試驗(yàn)設(shè)計(jì)1、試驗(yàn)為什么要進(jìn)行設(shè)計(jì)？在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)探討和管理實(shí)踐中，為了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)研制新產(chǎn)品、更新老產(chǎn)品，降低原材料、能源等資源消耗，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，做到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗即提高經(jīng)濟(jì)效益，都須要做各種試驗(yàn)。凡是試驗(yàn)就存在著如何支配試驗(yàn)，如何分析試驗(yàn)結(jié)果的問(wèn)題，也就是要解決試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法問(wèn)題。若試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)正確，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析得法，就能以較少的試驗(yàn)次數(shù)、較短的試驗(yàn)周期、較低的試驗(yàn)費(fèi)用，快速得到正確的結(jié)論和較好的試驗(yàn)結(jié)果；反之，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)不正確，試驗(yàn)結(jié)果分析不當(dāng)，就可能增加試驗(yàn)次數(shù)，延長(zhǎng)試驗(yàn)周期，造成人力、物力和時(shí)間的奢侈，不僅難以達(dá)到預(yù)期效果，甚至造成試驗(yàn)的全盤(pán)失敗。因此，如何科學(xué)地進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一個(gè)特殊重要的問(wèn)題。2、試驗(yàn)設(shè)計(jì)的含義試驗(yàn)設(shè)計(jì)——是指為節(jié)約人力、財(cái)力、快速找到最佳條件，揭示事物內(nèi)在規(guī)律，依據(jù)試驗(yàn)中不同問(wèn)題，在試驗(yàn)前利用數(shù)學(xué)原理科學(xué)編排試驗(yàn)的過(guò)程。以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，為獲得牢靠試驗(yàn)結(jié)果和有用信息，科學(xué)支配試驗(yàn)的一種方法論，亦是探討如何高效而經(jīng)濟(jì)地獲得所須要的數(shù)據(jù)與信息的方法。一個(gè)良好的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，要閱歷三個(gè)階段，即方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)實(shí)施和結(jié)果分析。只有把試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論、專(zhuān)業(yè)技術(shù)學(xué)問(wèn)和實(shí)際閱歷三者緊密結(jié)合起來(lái)，才能取得良好的試驗(yàn)設(shè)計(jì)效果。3．試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本宗旨①最大限度地提高試驗(yàn)效率②最大限度地提高試驗(yàn)精度

（二）數(shù)據(jù)處理1、數(shù)據(jù)處理的意義試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析是試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析的重要組成部分。在生產(chǎn)和科學(xué)探討中，會(huì)遇到大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確處理關(guān)系到能否達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模贸雒鞔_結(jié)論。如何從雜亂無(wú)章的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取有用信息幫助解決問(wèn)題，用于指導(dǎo)科學(xué)探討和生產(chǎn)實(shí)踐，為此須要選擇合理的數(shù)據(jù)分析方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)地處理和分析，只有這樣才能充分有效地利用試驗(yàn)測(cè)試信息。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析通常建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上。2、常用的數(shù)據(jù)處理方法1）直觀分析法主要解決兩個(gè)問(wèn)題：①確定因素最佳水平組合；②影響試驗(yàn)指標(biāo)的因素的主次地位。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)潔，工作量小；缺點(diǎn)：推斷因素效應(yīng)的精度差，不能給出試驗(yàn)誤差大小的估計(jì)，在試驗(yàn)誤差較大時(shí)，往往可能造成誤判。2）方差分析法將試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)分解為各個(gè)因素的波動(dòng)和誤差波動(dòng)，然后對(duì)它們的平均波動(dòng)進(jìn)行比較的方法。優(yōu)點(diǎn)：是一種定量分析方法，可比性強(qiáng)，分析推斷因素效應(yīng)的精度高。3）因素-指標(biāo)關(guān)系趨勢(shì)圖分析方法即計(jì)算各因素各個(gè)水平平均試驗(yàn)指標(biāo)，接受因素的水平作為橫坐標(biāo)，接受各水平的平均試驗(yàn)指標(biāo)作為縱坐標(biāo)繪制因素-指標(biāo)關(guān)系趨勢(shì)圖，找出各因素水平與試驗(yàn)指標(biāo)間的變更規(guī)律。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)潔、計(jì)算量小，試驗(yàn)結(jié)果直觀明白。4）回來(lái)分析方法回來(lái)分析方法是用來(lái)找尋試驗(yàn)因素和試驗(yàn)指標(biāo)之間是否存在函數(shù)關(guān)系的一種方法。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)去粗取精、去偽存真，從而得到反映事物內(nèi)部規(guī)律的特性。其次節(jié)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展和應(yīng)用

20世紀(jì)初：英國(guó)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)家費(fèi)歇爾（1890-1962）首次提出了“試驗(yàn)設(shè)計(jì)”術(shù)語(yǔ)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法最早應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、遺傳學(xué)方面。在農(nóng)業(yè)方面主要是進(jìn)行品種對(duì)比、施肥對(duì)比等，使農(nóng)業(yè)大幅度增產(chǎn)。20世紀(jì)40年頭，英美兩國(guó)起先在采礦、冶金、建筑、紡織、機(jī)械、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，如變更原料配比或工藝生產(chǎn)條件，找尋最佳工況。50、60年頭：日本田口玄—博士創(chuàng)建了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。二戰(zhàn)后，日本工業(yè)飛速發(fā)展的緣由就是在工業(yè)領(lǐng)域里普遍推廣和應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果。日本電訊探討所研制的“線(xiàn)形彈簧繼電器”，使電話(huà)機(jī)收聽(tīng)效果大為改進(jìn)，為日本電訊事業(yè)的發(fā)展起到了不行估量的作用。50年頭：我國(guó)中科院數(shù)學(xué)探討所在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)、理論和方法上有了新的創(chuàng)見(jiàn)，編制了一套較為適用的正交表，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)程序和試驗(yàn)結(jié)果分析方法。目前，試驗(yàn)設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。第三節(jié)試驗(yàn)設(shè)計(jì)基本要素①指標(biāo)——用來(lái)衡量試驗(yàn)效果好壞的特征值。②因素——對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有影響的緣由或要素。③水平——因素在試驗(yàn)中所處的不同狀態(tài)，可能引起指標(biāo)的變更。（一）指標(biāo)——用來(lái)衡量試驗(yàn)效果好壞的特征值1、指標(biāo)分類(lèi)：a)定量指標(biāo)（數(shù)量指標(biāo)，如強(qiáng)度、重量、產(chǎn)量、合格率、成活率、廢品率、轉(zhuǎn)化率等。）b)定性指標(biāo)（非數(shù)量指標(biāo)，如顏色、味道、光澤等）2、指標(biāo)的選擇要求：選擇客觀性強(qiáng)的指標(biāo)，選擇易于量化即經(jīng)過(guò)儀器測(cè)量而獲得的指標(biāo)；選擇靈敏度高的指標(biāo)，選擇精確性強(qiáng)的參數(shù)作為指標(biāo)。（二）因素——對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有影響的緣由或要素因素也稱(chēng)為因子，它是在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)考察的內(nèi)容。因素一般用大寫(xiě)字母ABC……來(lái)標(biāo)記，如因素A、因素B、因素C等。1、因素分類(lèi)：a)可控因素（溫度、時(shí)間、種類(lèi)、濃度……）b)不行控因素（風(fēng)速、氣溫、……）2、選擇因素的原則

a）抓住主要因素（將影響較大的因素選入試驗(yàn)）同時(shí)要考慮因素之間的交互作用。b）找出非主要因素，并使其在試驗(yàn)中保持不變，以消退其干擾作用。（三）水平——因素在試驗(yàn)中所處的不同狀態(tài)選擇水平的原則：①水平宜取三水平為宜②水平應(yīng)是等間隔的原則③水平是具體的④水平的選擇必需在技術(shù)上現(xiàn)實(shí)可行。舉例例1：某化工工程師欲探討化學(xué)反應(yīng)溫度（60℃、70℃、80℃）、反應(yīng)時(shí)間（1h、1.5h、2h）、催化劑用量（2kg、2.5kg、3kg）對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量（指標(biāo)）的影響，依據(jù)找出的規(guī)律，確立最佳生產(chǎn)條件。例2：考察3種不同類(lèi)型的電路對(duì)某種自動(dòng)開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間（ms）的影響指標(biāo)：響應(yīng)時(shí)間因素：電路類(lèi)型水平：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ舉例例3：探討紙漿中木材濃度的分率、容器的壓強(qiáng)、煮漿時(shí)間對(duì)紙張強(qiáng)度的影響。指標(biāo)：紙張強(qiáng)度因素及水平：紙漿中木材濃度的分率(%)2、4、8容器的壓強(qiáng)(kPa)400、500、650煮漿時(shí)間(h)3、4舉例例4：干脆過(guò)濾試驗(yàn)中，欲考察混凝劑硫酸鋁投量，助劑聚丙烯酰胺投量，濾速對(duì)過(guò)濾周期平均出水濁度的影響。試驗(yàn)指標(biāo)：過(guò)濾周期平均出水濁度因素及水平：混凝劑投量（mg/L）（10、12、1）助凝劑投量（mg/L）（0.08、0.15、0.30）濾速（m/h）（8、10、12）第四節(jié)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與步驟

（一）試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法針對(duì)不同的具體狀況，有不同的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)各種試驗(yàn)方法的目的、動(dòng)身點(diǎn)各不相同。（二）試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的步驟1、明確試驗(yàn)?zāi)康模_定試驗(yàn)指標(biāo)。2、選擇因素，選取水平。3、選定試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。4、試驗(yàn)點(diǎn)支配。本課程講授內(nèi)容1．試驗(yàn)設(shè)計(jì)①單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)（均分法，對(duì)分法，0.618法，分?jǐn)?shù)法）②雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)（平行線(xiàn)法、旋升法、對(duì)開(kāi)法）③多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)（正交設(shè)計(jì)、序貫設(shè)計(jì)）2．?dāng)?shù)據(jù)處理①試驗(yàn)誤差分析②試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理③試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（直觀分析法、方差分析、回來(lái)分析）參考文獻(xiàn)

①鄭少華、姜奉華《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》，中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004年3月第1版，51.727/Z429（適合材料科學(xué)與工程、化工、機(jī)械、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等專(zhuān)業(yè)