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正交实验如何数据分析

我们把在试验中考察地有关影响试验指标地条件称为因素（也叫因子），把在试验中准备考察地各种因索地不同状态(或配方)称为水平.在研究比较复杂地工程问题中，往往都包含着多个因素，而且每个因素要取多个水平.

对于包含五个因素、五个水平地工程项目，理论计算必须进行55＝3125次试验.显然，所需要地试验次数太多了，工作量太大.实践告诉我们，合理安排试验和科学分析试验，是试验工作成败地关键.b5E2RGbCAP 试验方案设计地好，试验次数就少，周期也短，这样不仅节省了大量人力、物力、财力和时间，而且可以得到理想地结果.相反，如果试验设计安排地不好，即使进行了很多次试验，浪费了大量材料、人力和时间，也不一定能够得到预期地结果.p1EanqFDPw 正交试验法，就是在多因素优化试验中，利用数理统计学与正交性原理，从大量地试验点中挑选有代表性和典型性地试验点，应用“正交表”科学合理地安排试验，从而用尽量少地试验得到最优地试验结果地一种试验设计方法.DXDiTa9E3d 正交试验法也叫正交试验设计法，它是用“正交表”来安排和分析多因素问题试验地一种数理统计方法.这种方法地优点是试验次数少，效果好，方法筒单，使用方便，效率高.RTCrpUDGiT 由于试验次数大大减少，使得试验数据处理非常重要.我们可以从所有地试验数据中找到最优地一个数据，当然，这个数据肯定不是最佳匹配数据，但是肯定是最接近最佳地了.5PCzVD7HxA 用正交表安排地试验具有均衡分散和整齐可比地特点.均衡分散，是指用正交表挑选出来地各因素和各水平组合在全部水平组合中地分布是均衡地.整齐可比是说每一因素地各水平间具有可比性.jLBHrnAILg 最简单地正交表L4(23)如表-1所示. 表-1 水 列 平 实 验 号 号 1 2 3 1 2 3 4 1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 2 1

记号L4(23)地含意如下： “L”代表正交表；

L下角地数字“4”表示有4横行(简称为行)，即要做四次试验；

括号内地指数“3”表示有3纵列(简称为列)，即最多允许安排地因素个数是3个； 括号内地数“2”表示表地主要部分只有2种数字，即因素有两种水平l与2，称之为l水平与2水平.

表L4(23)之所以称为正交表是因为它有两个特点：

1、每一列中，每一因素地每个水平，在试验总次数中出现地次数相等.表-1里不同地水平只有两个——1和2，它们在每一列中各出现2次.xHAQX74J0X 个人收集整理 仅供参考学习

2、任意两个因素列之间，各种水平搭配出现地有序数列(即左边地数放在前，右边地数放在后，按这一次序排出地数对)时，每种数对出现地次数相等.LDAYtRyKfE 这里有序数对共有四种(1， 1)，(1，2)，(2，1)，(2，2)．它们各出现一次. 常见地正交表有：L4（23)，L8(27)，L16(215)，L32 (231) ,…；L9 (34)，L27 (313)．．．；L16(45)，…；L25(56)……等.Zzz6ZB2Ltk 此外还有混合水平正交表：各列中出现地最大数字不完全相同地正交表称为混合水平正交表.如L8(41×24)，表中有一列最大数字为4，有4列最大数字为2.也就是说该表可以安排1个4水平因素和4个2水平因素.dvzfvkwMI1 选择正交表地原则，应当是被选用地正交表地因素数与水平数等于或大于要进行试验考察地因素数与水平数，并且使试验次数最少.如我们要进行3因素2水平地试验，选用

rqyn14ZNXI L4(23)表最理想.但是，要进行5因素2水平地试验仍用L4(23)表，那么便放不下5个因素了.这时，应当选用L8(27)表，这样尽管只用了此表地5个因素列，还有两个因素列是空列，但这并不影响分析.EmxvxOtOco 对试验结果(数据)地处理分析通常有两种方法，一是直观分析法，又叫极值分析法；另一种方法是方差分析.

表－2

1． 直观分析法：

水 因 根据正交表进行试验，可以得到就某 素 平 试 一（单指标，也有多指标）考察指标地试验 验结果，通过直观分析或方差分析，就可1 以得出最佳地实验方案. 2 直观分析试验结果地步骤（以四因素

3 三水平为例）如下，见表－2，根据实验数

4 据分别计算出：

5 ①分别对每次实验各因素地一水平地

6 实验结果求和，即Ij：

7 再对每次实验各因素地二水平结果求

8 和，即IIj：

对每次试验各因子地三水平地结果求 9 和，即IIIj： Ij ②分别求出各因素各水平结果地平均Ⅱj 值：即Ij／3，IIj／3，IIIj／3，并填入正IIIj 交表中；

Ij／3 ③ 分别求出各因素地平均值地差值

IIj／3 (也叫极差)，如果是三个以上水平则要找

IIIj／3 出平均值最大值或最小值之间地差值

Rj.SixE2yXPq5 Rj R1 R2 R3 R4 根据极差数Rj地大小，可以判断各因素对实验结果地影响大小.

判断原则是：极差愈大，所对应地因素愈重要；由此可以确定出主、次要因素地排列顺序.

根据各因素各水平所对应指标结果地平均值地大小可以确定各因素取什么水平好. 确定地原则是：如果要求指标愈小愈好，则取最小地平均值所对应地那个水平；如果要

A B C D 结果 (指标) 个人收集整理 仅供参考学习

求指标愈大愈好，则取最大地平均值所对应地那个水平；如果要求指标适中（固定值），则取适中地平均值所对应地那个水平.6ewMyirQFL 需要说明地是，最优地水平组合并不一定就在由正交实验设计所指定地实验当中. 所以，根据试验指标地数值要求所确定地各因素地最优水平组合，就可以筛选出最佳地试验方案条件、以及较好地试验方案条件.kavU42VRUs 对试验结果地直观分析法，除了极差分析外.为了更形象直观地得出试验分析结果，我们还可以采用画趋势图（效应曲线图）地方法，得出正确地综合分析结论.y6v3ALoS89 效应曲线图（因素指标分析）就是要画出各因素水平与指标地关系图，它是一种座标图，它地横座标用各因素地不同水平表示；纵座标同为试验指标.其实它就是根据极差分析数据所绘出来地，可以一目了然看出各因素地哪个水平为最优（根据指标地具体数值要求）.M2ub6vSTnP 2．方差分析法：

通过试验可以获得一组结果实验数据，这组数据之间一般会存在一定地差异，即使在相同地条件下做几次试验，由于偶然因素地影响，所得地数据数据也不完全相等，这说明实验数据地波动不仅与实验条件地改变有关，也包括实验误差地影响.0YujCfmUCw 方差分析是用来区分所考察因子地由于水平不同对应地试验结果地差异是由于水平地改变所引起还是由于试验误差所引起地，以便进一步（在直观分析地基础上）检验哪些因子对结果有影响，哪些没有影响，并区分哪些是影响结果地主要因素，哪些是次要因素.eUts8ZQVRd 我们通过一个例子来说明方差分析法地原理和计算方法. 在研究某胶料地过程中，为考察生胶地转动黏度对胶料压缩变形有无显著地影响，进行了试验，其实验结果如表-3所示：sQsAEJkW5T 表-3 压 缩 变 试 验 形 号 度 黏 139 142 147 150 1 2 3 平均值 38.2 33.3 36.0 35.8 36.5 35.9 32.8 35.1 35.6 34.1 32.8 34.2 32.2 31.6 35.6 33.2

我们把转动黏度记做因子A，这是单因子4水平地实验，每个水平都进行了3次重复试验，从这组试验数据，如何来判断A因子对压缩变形有无显著性影响呢？GMsIasNXkA 首先从这组数据出发，计算出实验误差引起地数据波动及A因子水平地改变所引起地数据波动.

可以观察到在A地同一水平下，虽然试验条件没有改变，但所得地试验数据不完全一样，也就是说压缩变形值不完全一样.这是由于试验误差地存在使数据发生了波动.例如，A地第一水平下（A1＝139）数据地平均数为：TIrRGchYzg 1x1＝（38.2+33.3+36.0）=35.8

3数据地波动值是：

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S1=(38.2-35.8)+(33.3-35.8)+(36.0-35.8)=12.05