實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理,第一章 概論,一、,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理,課程的目的、意義,任何自然科學(xué)都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)學(xué)科（化工、化學(xué)、輕工、材料、環(huán)境、醫(yī)藥、熱工等）中的概念、原理和規(guī)律大多由實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)和論證的。,如最佳的配方、工藝條件，產(chǎn)品性能的優(yōu)化，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量作出評(píng)價(jià)等。,“,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理,”,課程是以概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)、專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)、科學(xué)地安排試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，最終達(dá)到減少

2、試驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)周期、迅速找到優(yōu)化方案的一種科學(xué)計(jì)算方法。它主要應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過(guò)程中的科學(xué)試驗(yàn)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、質(zhì)量管理和科學(xué)研究的重要工具和方法。,通過(guò)本課程的教學(xué)，使學(xué)生掌握試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基本原理，并能針對(duì)實(shí)際問(wèn)題正確地運(yùn)用。學(xué)好本課程，為將來(lái)從事各專(zhuān)業(yè)科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。,農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,道路,橋梁,工業(yè)產(chǎn)品,（一）實(shí)驗(yàn)的分類(lèi),驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),：對(duì)已知的理論進(jìn)行驗(yàn)證，以加深對(duì)理論的認(rèn)識(shí),探索性實(shí)驗(yàn),：為了揭示尚未完全認(rèn)識(shí)的事物，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律，以完成工程與科研任務(wù)，具有很強(qiáng)的探索性 （工程中經(jīng)常碰到）,（二）實(shí)驗(yàn)過(guò)程,實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理,1,實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備,提出問(wèn)題，弄清實(shí)

3、驗(yàn)?zāi)繕?biāo),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）,擬訂實(shí)驗(yàn)大綱,實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試儀器的準(zhǔn)備,2,實(shí)驗(yàn),（,1,）測(cè)試,（,2,）記錄,3,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理,通過(guò)一定的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，去偽存真，提煉出我們需要的信息，以發(fā)現(xiàn)事物的規(guī)律。,4,提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或科研報(bào)告,二、主要內(nèi)容,1,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（均分法，對(duì)分法，,0.618,法，分?jǐn)?shù)法）,雙因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）,2,數(shù)據(jù)處理,實(shí)驗(yàn)誤差分析,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（直觀分析法、方差分析、回歸分析）,參考文獻(xiàn),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，,51.7

4、27/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)）,方萍、何延,試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì),，浙江大學(xué)出版社，,2003,年,6,月第,1,版,（適合環(huán)境與資源相關(guān)專(zhuān)業(yè)、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、醫(yī)學(xué)）,美,Douglas C.Montgomery,著,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析,中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，,1998,年,6,月第,1,版（電工等專(zhuān)業(yè) ）,楊德,試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析,，中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,王萬(wàn)中,試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析,，高等教育出版社,第二章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),第一節(jié) 概 論,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),是指為節(jié)省人力、財(cái)力、迅速找到最佳條件，揭示事物內(nèi)在規(guī)律，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中不同問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)前利用數(shù)學(xué)原理科學(xué)編排實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。,以概率論與數(shù)理統(tǒng)

5、計(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，為獲得可靠試驗(yàn)結(jié)果和有用信息，科學(xué)安排試驗(yàn)的一種方法論，亦是研究如何高效而經(jīng)濟(jì)地獲取所需要的數(shù)據(jù)與信息的方法。,正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅節(jié)省人力，物力和時(shí)間，并且是得到可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要保證。即,經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，效果大大提高，與不經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)相比，情況大不相同。,廣義上說(shuō)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模_定測(cè)定參數(shù)，確定需要控制或改變的條件，選擇實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試儀器，確定實(shí)測(cè)精度要求，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理步驟等。,1,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展過(guò)程,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)。,實(shí)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。

6、在農(nóng)業(yè)方面主要是進(jìn)行品種對(duì)比、施肥對(duì)比等。,20,世紀(jì),40,年代，英美兩國(guó)開(kāi)始在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，如改變?cè)吓浔然蚬に嚿a(chǎn)條件，尋找最佳工況。,50,、,60,年代：日本田口玄,博士創(chuàng)造了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。,日本電訊研究所研制的,“,線形彈簧繼電器,”,，使電話機(jī)收聽(tīng)效果大為改進(jìn)，為日本電訊事業(yè)的發(fā)展起到了不可估量的作用。,50,年代：我國(guó)中科院數(shù)學(xué)研究所,在正交實(shí)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)化了實(shí)驗(yàn)程序和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方法。,目前，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。,2,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本宗旨,最大限度地提高實(shí)驗(yàn),效率,最大限度地提高實(shí)驗(yàn),精度,3,實(shí)驗(yàn)

7、設(shè)計(jì)基本要素,指標(biāo),用來(lái)衡量試驗(yàn)效果好壞的特征值。,因素,對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有影響的原因或要素。,水平,因素在實(shí)驗(yàn)中所處的不同狀態(tài)，可 能引起指標(biāo)的變化。,1,）指標(biāo),用來(lái)衡量試驗(yàn)效果好壞的特征值,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）,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)。,2,）因素,對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有影響的原因或要素,因素也稱(chēng)為因子，它是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)考察的內(nèi)容。,因素一般用大寫(xiě)字母,A

8、BC,來(lái)標(biāo)記，如因素,A,、因素,B,、因素,C,等。,因素分類(lèi)：,a),可控,因素（溫度、時(shí)間、種類(lèi)、濃度,）,b),不可控,因素（風(fēng)速、氣溫、,）,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，并使其在實(shí)驗(yàn)中保持不變，以消除其干擾作用。,3,）,水平,因素在實(shí)驗(yàn)中所處的不同狀態(tài),選擇水平的原則：,水平宜取三水平為宜,水平應(yīng)是等間隔的原則,水平是具體的,水平的選擇必須在技術(shù)上現(xiàn)實(shí)可行。,舉例,例,1,：某化工工程師欲研究化學(xué)反應(yīng)溫度（,60,、,70,、,80,）、反應(yīng)時(shí)間（,1h,、,1.5h,、,2h,）、催化劑用量（

9、,2kg,、,2.5kg,、,3kg,）對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量（指標(biāo)）的影響，根據(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：,、,、,舉 例,例,3,：研究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,：直接過(guò)濾實(shí)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。,實(shí)驗(yàn),指標(biāo)

10、,：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,）,4,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,針對(duì)不同的具體情況，有不同的實(shí)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),正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),各種試驗(yàn)方法的目的、出發(fā)點(diǎn)各不相同。,5,實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的步驟,明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。,挑選因素，選取水平。,選定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。,實(shí)驗(yàn)點(diǎn)安排。,6,強(qiáng)烈推薦掌握的,幾類(lèi)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì),1)factorial design(FD),2)central composite rotatable design(CCRD),3)Doehlert matrix(DM),4)Response surface methodology(RSM),