DOE实验设计

1DOE实验设计2学习：新能力•我们有学习新的策略、新的规划过程、以及近代解决问题的过程，和一大堆其它技术的需求并非旧的技术总是不好，只是竞争环境改变了。•“今日我们所创造出的过程，就是来自我们头脑思考的结果，所以一旦此过程产生问题，远远不能利用我们创造它的思路去解决它们”。---AlbertEinstein3科学方法科学方法应用到设计过的实验上Hypothesis假设Deduction演绎、推论Data数据Induction归纳Hypothesis假设Induction归纳Data数据Hypothesis假设Conjecture推测designofexperiment实验设计analysisofresults结果分析Experiment实验Deduction演绎、推论Experiment实验analysisofresults结果分析designofexperiment实验设计Conjecture推测Conjecture推测4学习：评鉴标准要想学到东西，必须要满足下列条件：1.关键事件(CriticalEvent)2.有慧眼的观察者(PerceptiveObserver)被动工具（管制图）：增加有慧眼观察员注意到关键事件的机会，然而，被动工具并不会增加关键事件发生的机率，有慧眼观察员必须等着过程告诉他。（即等着特殊原因的发生）主动工具（实验设计）增加有慧眼观察员看到关键事件和增加关键事件发生的机率。所以实验设计是一种更有效的学习工具。5学习：深度知识•深度学习的结果导致产生戴明所说的深度知识，深度知识是了解控制过程的基本原理。•某人具有深度知识就能回答诸如：何种化学或物理掌控此过程？(例如：滚动铝板的限制是摩擦力和热传导)，哪一些限制此过程不能100%回收？•实验设计是一种寻找探索过程边界，以及获得深度知识的方法。6生产过程中的实验设计上游生产过程下游实验设计SPC检验主动被动被动线外品质预防线上品质评鉴抽样检验工程研究与发展生产制造检验部门市场研究7实验设计目的1.找出〝Vitalfew关键少数〞过程参数，加以统计管制。(Screeningexperiments过程的实验)2.解决问题和过程最佳化解决问题是最佳化的一个集合，过程最佳化是在改善一个健康的过程，解决问题是在修补一个破碎的过程，两者只有程度上的差异，因为两者使用的工具相似，二者都针对一个过程而改善，GeorgeBox说：所有的工业过程都需改善。8工业实验的种类1.Screening放映、演示过程哪一些因子对此过程最重要？解决问题关制图的应用2.Empirical实验式这些重要的因子如何影响效应(Response)？3.Mechanistic机械装置为什么此效应会被这些因子所影响？9经过设计的实验：新科技的陷阱‧Cookbookery(照猫画虎)：将所有问题强迫融入一二套特定的技术模式，而没有充分考虑探索的真正目的或者这些方法背后有关的假设条件。‧Mathematistry(数学狂)：为理论而理论开发一大堆理论，首先是存在一个工业上的问题，然而目前的活动已远离主题，有一群人对玩弄问题十分有趣，但对解决却从不测试其实用性，会议中，他们沉醉在阅读大家的论文，而起态度通常是十分友善的。非常不幸，工程师把数学看得太重，不懂时会被数学吓倒，他们错误地对他们地常识丧失信心，并且采用一些由没有科学经验的数学家发展出来并不适合的程序来进行。10试验设计法试验设计法是一系列的程序和试验，它能使我们评估一个或多个因素的效果，而不会考虑更多因素或主观判断，它开始于试验主体陈述结束于结果报告。它可能引导出更多试验。它是科学工具，给出朴实结果能用于确定原因和结果。11有效试验的障碍目标不正确试验结果不清楚DOE很花时间缺乏对DOE工具了解缺乏管理支持缺乏合适技术支持问题不清楚不适当头脑风暴DOE成本很高缺乏对DOE策略了解早期阶段没有信心马上需要结果12试验策略——试验的目的是更好理解真实过程，而不是理解数据本身。问题定义选择输出变量选择变量水平收集数据得出结论设定目标选择输入变量选择试验设计分析数据达到目的13试验设计简介假设你已经在电视上看过高尔夫球并对声称能提高你成绩的广告很感兴趣。你不能确定为什么这些广告能提高你的球技，但你对提高成绩很关心并准备采购下列物品：1）两种高尔夫球棒a）平牌b）考微牌2）两种高尔夫球a）塔梯牌b）排那牌你通常在两种场地打球，两种场地风情况不同，场地A由于四周环山而没有风场地B位于海滨而有很大风你带有设备，你如何知道所做的能提高成绩？14实验策略定义问题建立目标选择输出变量选择输入变量可控制因素X1X2…..Xn输入过程输出Z1Z2….Zn不可控制因素15因素：因素是所研究试验中影响输出的可控制因素或不可控制因素之一，一个因素可能是定量。例如，以度为计量温度，以秒为计量时间，一个因素可能是定性。例如，不同机器，不同操作工，清洁或不清洁16试验策略选择输入变量高尔夫球棒球风状况识别不可控制变量在这个试验中没有17选择变量水平水平：因素水平指试验中要检验的变量值。对于定量变量，任一选择值就是水平。例如：如果试验在两种温度下进行，那么因素温度有两种水平，在定性变量情况，清洁和不清洁是两种水平。水平1水平2球棒平牌考微牌球塔梯牌排那牌风状况有风没风18我如何开始试验？我做什么试验？所有可能的组合是什么？1、平牌球棒塔梯牌球棒没风2、考微牌球棒塔梯牌球棒没风3、平牌球棒排那牌球棒没风4、考微牌球棒排那牌球棒没风5、平牌球棒塔梯牌球棒大风6、考微牌球棒塔梯牌球棒大风7、平牌球棒排那牌球棒大风8、考微牌球棒排那牌球棒大风19让我们换种方法表示试验结构设计没风塔梯牌球平牌球棒没风塔梯牌球考微牌球棒平牌球棒考微牌球棒塔梯牌球排那牌球塔梯牌球排那牌球风没风1234567820结果是什么？对我有何区别？平牌球棒成绩较好……这称为主效应！平牌球棒考微牌球棒塔梯牌球排那牌球塔梯牌球排那牌球大风没风767878768083838221球类型影响如何？你最好成绩取得将在：大风——塔梯牌球没风——排那牌球用哪种类型球取决于风情况……这称为相互作用！平牌球棒考微牌球棒塔梯牌球排那牌球塔梯牌球排那牌球大风没风——7878——8083838222我们如何表达出结果？Score81.8斜率越大，80.6影响越大？79.478.277.0ClubsBaliWind23我们如何表现出相互作用？相互作用图示——成绩平均值球棒11-1-111-1-1球-111-1风24从试验中我们能得出什么样决定？成为一名更好的高尔夫球手使用平牌球棒和当时状况时使用大风：塔梯牌球没风：排哪牌球DOE对于任何需要改进的过程都是一种好策略25正交表是试验设计的重要工具，由于选定的因素和水平不同，有多种正交表可供选用。例如，某种试验需安排的4个因素，而每个因素又分3个水平做试验，可选择的正交表表示最多能安排4个因素L9（34）表示每个因素有3个水平表示按此表要做9次试验表示正交表的符号26试验设计的优点1）实际使用时，只需确定影响考核指标的因素和水平就可方便地从正交表中得到相应的方案。而方案和水平的确定主要取决于专业知识和实践经验。所以正交实验法简单易学、容易掌握。2）能用较少的试验，得到最优的方案。例如对一个7因素与2水平的试验。按常规做法需作27=128次试验。如取13个因素、3个水平则需作313=1594323次试验。如采用正交试验，选L8（27）和L27（313）正交表作试验，只需分别做8次和27次即可。273）通过对试验数据的分析，可以很快找到影响结果的主要因素和次要因素，从而有利于采取纠正，预防措施和达到质量改进。4）通过对试验结果的分析，可以分析因素之间有无“交互”作用。以及交互作用对试验结果的影响。5）一般而言，试验可以在正常生产条件下进行，边生产边试验，无需专门投资，也无需增加设备。28试验设计的步骤1）有关人员在一起，共同确定需考核的指标，影响指标的因素，以及每个因素分几个水平进行试验。2）选择合适的正交表，在表头设计时，最好不要将因素排满，空列可作分析交互作用或误差用。3）按试验方案安排实验，并详细记录试验结果。4）试验完成后进行分析计算，找出主要因素和“最佳水平组合”29三次设计法系统设计参数设计容差设计30试验方案的设计1）确定试验指标试验指标用数量表示的，称为定量指标，如温度、压力、硬度、强度、寿命、成本等不能直接用数量表示的指标，称为定性指标，如产品的外观质量可作为定性指标。2）确定试验因素并选取适当水平试验中，凡对试验指标可能产生影响的原因，称为因素。类似数学中的自变量，通常用大学字母A、B、C、……表示因素在试验中所处的各种状态，或所取的不同值，称为水平，通常用下表1、2、3….表示。31例：淬火温度8200C、8400C回火温度为4600C、5000C喷丸残余压变力为60kpa、80kpa（A）（B）（C）淬火温度0C回火温度为0C残余压变力0C（A1）820（B1）460（C1）60（A2）840（B2）500（C2）8012因素水平323）选用合适的正交表本例是三个二水平因素的试验，共有23=8种处理组合。对全部处理组合都进行试验，称为全面试验为了减少试验次数，只能从所有的处理组合中选择一部分进行试验，称为部分试验33试验设计所追求的目标之一，就是要用尽量少的部分试验来实现全面试验所要达到的目的。这样，就产生了两个突出的矛盾：一是多组合的全面试验，与希望实际上只能进行少数试验的矛盾。二是实施少数试验，与要求获取全面试验信息的矛盾。34利用正交试验设计，即可以对试验进行合理安排，选择少数几个有代表性处理组合进行试验，解决第一个矛盾；又可以对少数几个有代表性处理组合的试验结果进行科学的处理，得出反映事物本来面目的正确结论，解决第二个矛盾。L4（23）正交表列号试验号1231234112212121221354）表头设计正交表的每一列都可以安排一个因素，将试验中需要考察的因素，分别安排到正交表的各列上去，叫做表头设计。5）编制试验方案因素(列号)试验号A淬火温度（0C）B回火温度（0C）C残余压应力（kpa）1A1820（1）B1460（1）C160（1）2A1820（1）B2500（2）C280（2）3A2840（2）B1460（1）C280（2）4A2840（2）B2500（2）C160（1）36试验方案可以看出两个特点在每一列中每个因素的各个不同水平在试验中出现的次数相等。在任意两列中，两个因素各种不同水平的所有可能搭配都出现了，而且出现的次数相等。37试验结果分析表因素(列号)试验号A淬火温度（0C）（1）B回火温度（0C）（2）C残余压应力(kpa)（3）试验指标Yi（4）1234A1820（1）A1820（1）A2840（2）A2840（2）B1460（1）B2500（2）B1460（1）B2500（2）C160（1）C280（2）C280（2）C160（1）50476055Yj1Yj297115110102105107Yj1Yj248.557.5555152.553.54∑Yi=212I=1Rj极差941优水平A2B1C2主次因素A，B，C最优组合A2，B1，C238试验结果Yi表示，I代表试验号，A有一水平A1出现在第1、2号试验中。YA1=1/2（Y1+Y2）=1/2（50+47）=48.5YA1=1/2（Y3+Y4）=1/2（60+55）=57.5用Yj1表示第I列因素一水平所对应各号试验的试验指标之和，Yj1为其平均值通过Yj1、Yj2….的比较，就可找到该因素最优水平，各因素的最优水平组合起来，就是对试验结果最有利的条件。39本列中各因素的最优水平为A2、B1、C2，所以对试验结果来说最优条件是A2B1C2在Yj1、Yj2…..中数值最大者与最小者之差，即因素的极差，Rj表示。它反映了各因素水平变动时，试验指标变动的幅度。极差越大，说明这个因素对指标的影响越大，所以根据极差