實驗設計與數(shù)據(jù)處理

,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,實驗設計與數(shù)據(jù)處理,第一章 概論,一、,實驗設計與數(shù)據(jù)處理,課程的目的、意義,任何自然科學都離不開實驗，大多數(shù)學科（化工、化學、輕工、材料、環(huán)境、醫(yī)藥、熱工等）中的概念、原理和規(guī)律大多由實驗推導和論證的。,如最佳的配方、工藝條件，產(chǎn)品性能的優(yōu)化，對產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量作出評價等。,“,實驗設計與數(shù)據(jù)處理,”,課程是以概率論數(shù)理統(tǒng)計、專業(yè)技術(shù)知識和實踐經(jīng)驗為基礎，經(jīng)濟、科學地安排試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行計算分析，最終達到減少試驗次數(shù)、縮短試驗周期、迅速找到優(yōu)化方案的一種科學計算方法。它主要應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究過程中的科學試驗，是產(chǎn)品設計、質(zhì)量管理和科學研究的重要工具和方法。,通過本課程的教學，使學生掌握試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基本原理，并能針對實際問題正確地運用。學好本課程，為將來從事各專業(yè)科學研究打下基礎。,農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,道路,橋梁,工業(yè)產(chǎn)品,（一）實驗的分類,驗證性實驗,：對已知的理論進行驗證，以加深對理論的認識,探索性實驗,：為了揭示尚未完全認識的事物，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，具有很強的探索性 （工程中經(jīng)常碰到）,（二）實驗過程,實驗準備實驗實驗數(shù)據(jù)分析處理,1,實驗準備,提出問題，弄清實驗目標,設計實驗方案（實驗設計）,擬訂實驗大綱,實驗設備、測試儀器的準備,2,實驗,（,1,）測試,（,2,）記錄,3,實驗數(shù)據(jù)的分析、處理,通過一定的方法對實驗數(shù)據(jù)進行整理、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,提交實驗報告或科研報告,二、主要內(nèi)容,1,實驗設計,單因素實驗設計（均分法，對分法，,0.618,法，分數(shù)法）,雙因素實驗設計,多因素實驗設計（正交實驗設計）,2,數(shù)據(jù)處理,實驗誤差分析,實驗數(shù)據(jù)整理,實驗數(shù)據(jù)分析（直觀分析法、方差分析、回歸分析）,參考文獻,鄭少華、姜奉華,試驗設計與數(shù)據(jù)處理,，中國建材工業(yè)出版社，,2004,年,3,月第,1,版，,51.727/Z429,（適合材料科學與工程、化工、機械、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等專業(yè)）,方萍、何延,試驗設計與統(tǒng)計,，浙江大學出版社，,2003,年,6,月第,1,版,（適合環(huán)境與資源相關(guān)專業(yè)、生命科學、農(nóng)業(yè)科學、醫(yī)學）,美,Douglas C.Montgomery,著,實驗設計與分析,中國統(tǒng)計出版社，,1998,年,6,月第,1,版（電工等專業(yè) ）,楊德,試驗設計與分析,，中國農(nóng)業(yè)出版社,王萬中,試驗的設計與分析,，高等教育出版社,第二章 實驗設計,第一節(jié) 概 論,實驗設計,是指為節(jié)省人力、財力、迅速找到最佳條件，揭示事物內(nèi)在規(guī)律，根據(jù)實驗中不同問題，在實驗前利用數(shù)學原理科學編排實驗的過程。,以概率論與數(shù)理統(tǒng)計學為理論基礎，為獲得可靠試驗結(jié)果和有用信息，科學安排試驗的一種方法論，亦是研究如何高效而經(jīng)濟地獲取所需要的數(shù)據(jù)與信息的方法。,正確的實驗設計不僅節(jié)省人力，物力和時間，并且是得到可信的實驗結(jié)果的重要保證。即,經(jīng)過設計的實驗，效果大大提高，與不經(jīng)過設計的實驗相比，情況大不相同。,廣義上說，實驗設計包括明確實驗目的，確定測定參數(shù)，確定需要控制或改變的條件，選擇實驗方法和測試儀器，確定實測精度要求，實驗方案設計和數(shù)據(jù)處理步驟等。,1,實驗設計的發(fā)展過程,20,世紀初：英國生物統(tǒng)計學家費歇爾（,1890-1962,）首次提出了,“,試驗設計,”,術(shù)語。,實驗設計方法最早應用于農(nóng)業(yè)、生物學、遺傳學方面。在農(nóng)業(yè)方面主要是進行品種對比、施肥對比等。,20,世紀,40,年代，英美兩國開始在工業(yè)生產(chǎn)中應用，如改變原料配比或工藝生產(chǎn)條件，尋找最佳工況。,50,、,60,年代：日本田口玄,博士創(chuàng)造了正交試驗設計法。,日本電訊研究所研制的,“,線形彈簧繼電器,”,，使電話機收聽效果大為改進，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：我國中科院數(shù)學研究所,在正交實驗設計的觀點、理論和方法上有了新的創(chuàng)見，,編制了,一套較為適用的,正交表,，簡化了實驗程序和實驗結(jié)果分析方法。,目前，實驗設計已廣泛應用于各個領(lǐng)域。,2,實驗設計的基本宗旨,最大限度地提高實驗,效率,最大限度地提高實驗,精度,3,實驗設計基本要素,指標,用來衡量試驗效果好壞的特征值。,因素,對實驗指標有影響的原因或要素。,水平,因素在實驗中所處的不同狀態(tài)，可 能引起指標的變化。,1,）指標,用來衡量試驗效果好壞的特征值,指標分類：,a),定量,指標（數(shù)量指標，如強度、重量、產(chǎn)量、合格率、成活率、廢品率、轉(zhuǎn)化率等。）,b),定性,指標（非數(shù)量指標，如顏色、味道、光澤等）,指標的選擇要求：,選擇,客觀性強,的指標，選擇,易于量化,即經(jīng)過儀器測量而獲得的指標；選擇,靈敏度高,的指標，選擇,精確性強,的參數(shù)作為指標。,2,）因素,對實驗指標有影響的原因或要素,因素也稱為因子，它是在進行實驗時重點考察的內(nèi)容。,因素一般用大寫字母,ABC,來標記，如因素,A,、因素,B,、因素,C,等。,因素分類：,a),可控,因素（溫度、時間、種類、濃度,）,b),不可控,因素（風速、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）同時要考慮因素之間的交互作用。,b,）找出非主要因素，并使其在實驗中保持不變，以消除其干擾作用。,3,）,水平,因素在實驗中所處的不同狀態(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)實可行。,舉例,例,1,：某化工工程師欲研究化學反應溫度（,60,、,70,、,80,）、反應時間（,1h,、,1.5h,、,2h,）、催化劑用量（,2kg,、,2.5kg,、,3kg,）對產(chǎn)品產(chǎn)量（指標）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,種不同類型的電路對某種自動開關(guān)的響應時間（,ms,）的影響,指標：響應時間 因素：電路類型,水平：,、,、,舉 例,例,3,：研究紙漿中木材濃度的分率、容器的壓強、煮漿時間對紙張強度的影響。,指標,：紙張強度,因素及水平：,紙漿中木材濃度的分率,(%)2,、,4,、,8,容器的壓強,(kPa)400,、,500,、,650,煮漿時間,(h)3,、,4,舉 例,例,4,：直接過濾實驗中，欲考察混凝劑硫酸鋁投量，助劑聚丙烯酰胺投量，濾速對過濾周期平均出水濁度的影響。,實驗,指標,：過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,實驗設計方法,針對不同的具體情況，有不同的實驗設計方法。,單因素試驗設計,雙因素試驗設計,正交實驗設計,各種試驗方法的目的、出發(fā)點各不相同。,5,實驗方案設計的步驟,明確實驗目的，確定實驗指標。,挑選因素，選取水平。,選定實驗設計方法。,實驗點安排。,6,強烈推薦掌握的,幾類實驗方案設計,1)factorial design(FD),2)central composite rotatable design(CCRD),3)Doehlert matrix(DM),4)Response surface methodology(RSM),