实验设计与田口方法
实验计划法田口式实验法
案例二：电子产品研发中的优化设计
总结词
田口式实验法在电子产品研发中应用，有助于优化产品设计，提高产品性能和用户体验。
详细描述
电子产品研发过程中，设计优化是关键。田口式实验法通过设计合理的实验方案，对不同设计方案进 行对比和分析，以找出最优设计方案。同时，通过实验验证和数据分析，还可以对产品性能进行预测 和改进，提高产品的性能和用户体验。
02
田口式实验法的基本原理
田口式实验法的概念
田口式实验法是一种以正交表为基础，通过实验 设计、数据分析与优化来研究多因素多水平系统 的一种实验设计方法。
它是由日本学者田口玄一先生提出，被广泛应用 于工业工程、生产制造、品质管理等领域。
田口式实验法的优点
科学性强
田口式实验法采用正交表进行实验设计，能 够科学地安排实验因素和水平，减少实验次 数，提高实验效率。
06
田口式实验法的总结与展望
总结
田口式实验法是一种 以正交表为基础，通 过控制实验条件进行 多水平实验的方法。
田口式实验法广泛应 用于各种领域，如化 工、机械、电子等， 旨在提高产品质量和 性能。
田口式实验法的核心 思想是通过控制三个 因素（质量、成本和 交货期）的组合，实 现产品优化。
田口式实验法采用正 交表设计实验方案， 具有高效、经济、灵 活的特点。
部分因子设计
只考虑部分可能的因素组合，以减少实验次数并获得 有价值的结论。
随机设计
以随机顺序进行实验，以避免实验者偏差和系统误差 。
实验误差控制
01 重复实验
进行多次实验以增加结果的可靠性和稳定性。
02 盲法
消除实验者和被试者对实验目的和分组情况的知 晓，以避免主观影响。
03 对照实验
实验设计DOE田口方法
实验设计DOE田口方法田口方法（Taguchi Method）是一种实验设计（Design of Experiments, DOE）方法，旨在通过设计有限数量的实验来优化产品和过程。
这种方法是由日本工程师田口幸三在上世纪60年代提出的，已经在全球范围内应用广泛。
田口方法的主要目标是确定控制因素对产品或过程的性能目标的影响，并找到一组最优的控制因素设置，以实现这些性能目标。
田口方法通过以下三个步骤来实现这一目标：1.识别关键因素：首先，需要确定影响产品或过程性能的关键因素。
这些因素可能包括材料特性、工艺参数、环境条件等。
田口方法通过对影响因素进行分析和筛选，确定出最终需要考虑的关键因素。
2. 设计实验矩阵：在确定了关键因素后，需要设计一组实验来评估这些因素的影响。
田口方法采用正交实验设计（Orthogonal Array Design，OAD）来构建实验矩阵，以尽量减少实验数量同时保证数据的准确性。
正交实验设计可以在有限的实验次数情况下获得全面而有效的数据。
3. 分析实验数据：实验数据的分析是田口方法的核心。
不同的性能目标可能需要不同的统计分析方法。
常用的分析方法包括方差分析（Analysis of Variance，ANOVA）、信号/噪声比（Signal-to-Noise Ratio，S/N Ratio）分析等。
通过对实验数据的分析，可以确定关键因素的最佳设置，以达到性能目标的最优值。
田口方法的优点在于它可以在实验次数有限的情况下获得准确的数据，并最小化因素相互影响的效应。
此外，田口方法还可以有效地提高产品和过程的稳健性，使其对外部变化具有较强的抗干扰能力。
田口方法的应用非常广泛，适用于各种不同的工业领域。
它可以用于优化产品设计、改进工艺参数、减少能源和资源消耗等方面。
田口方法已经得到了许多企业的认可，并在实践中取得了显著的效果。
总结起来，田口方法是一种有效的实验设计方法，通过有限的实验次数来确定关键因素对产品或过程性能的影响，并找到最佳的因素设置来实现优化。
实验设计DOE田口方法
1.2. 应用领域、目的、特点
二战之后，日本的田口玄一博士，将试验设计方法应用于改进产品和系统质 量，并研究开发出“田口品质工程方法”，简称田口方法。从而提升了日本产品 品质及日本产业界的研发设计能力，成为日本战后质量管理及设计开发的核心工 具。
田口方法具有很强的抗干扰能力，因此又称为“稳健参数设计”——通过 调整可控因子的水平,来降低或弱化噪音对Y的影响, 从而提高设计方案的抗干扰 能力.
田口方法的优势: 通过调整可控因子的水平,来降低或弱化噪音对Y的影响, 从而提高设计方案
的抗干扰能力.
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1.9. 田口方法中正交表的特点
试验观察值
实验次数成倍数增加: 9*8 = 72 次
一次游程（设置）重复了8次，在重复试验每一次对噪音a,b,c,d的水平有调整，—— 会造成 Nhomakorabea件间的变异。
对于噪音的识别分类，还可以有更多的分类，只要有益于改进，就应该做深入地分析！
噪音是量产过程“人、机、料、法、环”的非可控部分；它不是人为的破坏或不遵守，不 是硬件资源故障，不是违背管理要求的非批准供方物料，不是原材料的彻底不合格等。它 是过程要素在批准准备或批准（作为PPAP的前提条件或已经PPAP）条件下（即许可的量 产条件下）的非受控波动。如：资格（拟）认可的两个班次的操作者；（拟）批准两家合 格供应商供应的同一材料号或不同批号；（拟）批准的两种测量方法；（拟）批准的常规 生产环境；（拟）批准的协变量（非受控的连续变量）-如：环境温度等等
正交表具有正交性，导致对试验结果有“均衡分散，整齐可比”的特点，有 利于计算回归方程。因此，虽然是局部试验（使用了全部试验的一部分），但 仍有可靠的代表性。 ➢ 信噪比 —— 评价品质优劣的基础
什么是田口方法
什么是田口方法田口方法是指由日本质量专家田口玄一博士创建的试验设计方法。
由于田口对质量的理解是：产品上市后给予社会带来的损失（由功能本身所产生的损失除外），即：质量等于功能波动的损失加上使用成本加上项目的损失。
成本等于材料费加上加工费加上管理费加上项目的损失。
总损失等于质量加上成本。
因此，田口认为，由于质量定义为产品上市后所产生的三部分损失之和，要使总损失最小，就要求质量和成本的总损失最小，换言之：就是提高质量（减少质量损失），降低成本。
产品质量的好坏很大程度上是由设计决定的，因此在新产品的开发设计阶段就要十分重视，当然设计的好产品要成为真正高质量的产品，在生产过程中还必须有好的工艺参数，因此经常需要进行试验设计。
田口方法就是依据统计学原理、方法所开发出来的一种试验方法，可协助从事产品和过程设计开发的工程技术人员以最少的试验次数，快速寻找最佳的过程参数组合条件，从而大量减少试验次数，降低试验成本，提高效率。
作者：唐晓芬一、田口方法的涵义随着市场竞争的日趋激烈，企业只有牢牢把握市场需求，用较短的时间开发出低成本、高质量的产品，才能在竞争中立于不败之地。
在众多的产品开发方法中，田口方法不失为提高产品质量，促进技术创新，增强企业竞争力的理想方法。
由日本田口玄一(Genichi Taguchi)所提之品质工程的理念和方法，是将品质改善之重点由制程阶段向前提升到设计阶段，一般称其为离线之品质管制方法(off-line quality control)。
在哲理方面，田口提出品质损失(quality loss)之观念来衡量产品品质，一些不可控制之杂音(noise)(例如环境因素)造成特性偏离目标值，并因而造成损失。
田口方法的重点在於降低这些杂音对产品品质的影响性，根据稳健性(robustness)之观念，决定可控制因子的最佳设定，建立产品?制程之设计，以使产品品质不受到杂音因素之影响。
田口方法是日本田口玄一博士创立的，其核心内容被日本视为“国宝”。
工程应用分析之田口式实验计划法
工程应用分析之田口式实验计划法田口式实验计划法（Taguchi Method）是由日本质量管理专家田口玄一郎于20世纪60年代提出的一种工程应用分析方法。
该方法是通过设计和执行一系列实验来优化产品、系统或过程的设计参数，以实现最佳性能和品质控制。
田口式实验计划法以其简洁、高效和准确的特点在全球范围内被广泛应用于工程领域。
田口式实验计划法的核心思想是通过考虑设计参数对结果的影响，确定最佳的参数组合来优化产品或系统的性能。
与传统的试验方法相比，田口式实验计划法减少了实验次数，但仍能得出可靠的结论。
田口式实验计划法主要包括三个步骤：参数选择、水平选择和实验设计。
首先，确定影响结果的关键参数。
然后，为每个参数选择适当的水平。
最后，设计实验矩阵并执行实验，以收集数据和分析结果。
在参数选择阶段，田口式实验计划法强调选择对结果影响最大的参数。
通过使用正交实验矩阵，可以确定最少的实验次数来获得最大的信息量。
正交实验矩阵是一种特殊的矩阵，具有平衡各种因素的能力，并且可以减少因素之间的相互作用。
因此，正交实验矩阵能够在最少的实验次数下提供有效的数据。
在水平选择阶段，田口式实验计划法要求选择适当的水平来代表参数的范围。
通常，参数的水平可以分为三种类型：高水平、低水平和中心水平。
高水平和低水平用于极端测试，而中心水平用于检测参数的相互作用。
通过选择不同水平的参数组合，可以确定最佳的参数组合来实现最佳性能。
在实验设计阶段，根据正交实验矩阵的设计，执行一系列实验并收集数据。
通过对数据进行统计分析，可以确定影响结果的关键参数和最佳参数组合。
这种分析方法可以减少试验次数和时间，并提高实验结果的准确性和可靠性。
田口式实验计划法的应用非常广泛，涵盖了各个领域的工程问题。
例如，在产品设计中，田口式实验计划法可以优化产品的功能、性能和可靠性。
在生产过程中，田口式实验计划法可以优化工艺参数，减少产品的变异性和缺陷率。
此外，田口式实验计划法还可以用于系统设计、质量改进和环境优化等领域。
田口方法导入与配置实验设计
田口方法导入与配置实验设计田口方法，又称为田口质量管理方法，是一种通过合理设计实验来寻找最佳工艺参数的方法。
它是由日本科学家田口玄一在20世纪60年代提出的，旨在通过少量的实验次数找到最佳条件。
田口方法在工业实验设计以及优化工程中被广泛应用，具有经济、高效、科学的特点。
田口方法的核心思想是通过有限的实验次数，尽量获取到最多的信息。
在实验设计中，首先明确要研究的因素和水平，然后设计试验矩阵，并进行试验。
最后，通过分析试验结果，找到最佳的工艺条件。
田口方法的导入与配置实验设计主要包括以下几个步骤：1. 确定研究因素和水平：首先明确需要研究的因素和水平。
因素是影响实验结果的各个变量，而水平是每个因素的不同取值。
通常情况下，因素的水平数目不宜过多，一般控制在3-5个，以保证实验的可控性和可行性。
2. 构建田口试验矩阵：根据因素和水平确定田口试验矩阵。
田口试验矩阵是通过对各个因素在不同水平下的组合进行排列组合，生成实验方案。
田口试验矩阵采用正交设计，可以最大程度地减少试验次数，提高实验效率。
3. 进行试验：根据田口试验矩阵，进行实验。
在试验过程中，需要严格按照设计方案进行操作，确保实验的可靠性和可重复性。
同时，要收集实验数据，并及时记录。
4. 分析试验结果：通过对实验数据的分析，找到最佳的工艺条件。
可以利用统计方法，如方差分析、回归分析等来分析实验数据，确定各个因素对实验结果的影响程度，找到最佳的因素水平组合。
田口方法的导入与配置实验设计需要考虑以下几个因素：1. 确定目标：在实验设计之前，需要明确实验的目标。
是寻找最佳的工艺参数、优化产品性能、提高生产效率还是解决某个问题。
只有明确目标，才能有针对性地设计实验方案。
2. 确定因素和水平数目：在确定因素和水平时，需要考虑到实际情况。
因素的选择应该与实际生产密切相关，并且水平数目不宜过多。
太多的水平数目会增加实验的难度和成本，同时也会降低实验的可行性。
3. 控制实验误差：在进行实验时，需要严格按照设计方案进行操作，确保实验的可靠性和可重复性。
实验计划法-田口式实验法
Rule 1 一个产品的质量特性是以附合目标值为革准 , 我们可确信这些产品会有良好的质量 .
Rule 2
如果一个产品的质量特性是以附合规格为基 准我们相信这样的产品是“ As good as bad”, 好坏差异不大 .
DOE--- TAGUCHI METHOD(I) 品质工程的概念
Experiment Environment 周遭环境条件可能会对实验结果造成影响.
DOE--- TAGUCHI METHOD(I) 实验计划法之概念
实验计划用语及定义
Blocking集区原量
Experiment Design Error错误
Randomization随机 Replication
Is a portion of the experimental material or experimental environment which is likely to
例题 假设波峰焊制程之Nomial value of y(焊接炉之温度)为240℃, 已知对某产品之平均成本(每片)为NT＄200而如果我们订定y 超出240℃之±20℃时,材料就得报废.试求Quality Loss
Function L(y) 解 本例属于Nomial the best Model因此L(y) =k(y-m)2
已知 当y = 220℃ or 260 ℃时L(y) =＄200
Ao=＄200 ＄50
L (y) = k(y - m) 2
220 230 240 260
△o
Tolerance =△o =±20℃∴ △o = 20℃ Loss = Ao = L =＄200
Ao = k(△o)2
实验设计─田口方法
实验设计─田口方法实验设计是科学研究中非常重要的一环，能够确保实验结果可靠、有效。
田口方法（Taguchi method）是一种常用的实验设计方法，采用统计学原理和数学模型，能够在较少的实验次数下得到较准确的实验结果。
下面将详细介绍田口方法的原理和实施步骤。
田口方法的原理基于“变动因子设计”的思想，即通过有选择性地改变实验因素，观察其对实验结果的影响，从而找到对结果最敏感的因素。
田口方法的核心原则是尽量降低实验次数，同时保持实验可靠性和有效性。
以下是田口方法的实施步骤：1.确定实验目标和结果指标：首先明确实验的目标和所要考察的结果指标。
结果指标应具体、可量化并符合实验目的。
例如，如果实验目标是改进产品的质量，结果指标可以是产品的尺寸、外观等。
2.选择实验因素和水平：在确定了实验目标和结果指标后，选择对结果指标有潜在影响的因素和其水平。
实验因素可以是材料的组成、工艺参数等。
每个因素应有两个或多个不同的取值水平。
3.构建田口表：田口表是田口方法的核心工具，用于设计实验矩阵。
根据实验因素和水平的选择，使用田口表，可以确定实验的设计，以达到尽量少的实验次数。
田口表是一个n×k的矩阵，其中n表示实验次数，k表示实验因素的个数。
4.进行实验并记录结果：按照田口表中的设计，在每一次实验中使用对应的实验参数，在相同条件下进行实验。
记录每次实验的条件设定和所得的结果。
5.分析实验结果：通过对实验结果的统计分析，寻找对结果产生最大影响的因素和最佳水平组合。
可以使用图形分析、假设检验等方法进行分析。
6.优化实验条件：根据实验结果的分析，调整实验因素的水平，以达到最佳的实验结果。
通过最优化实验条件，可以找到最佳的因素组合，提高产品的质量或性能。
田口方法的优点在于它能够在较少的实验次数下获得比较准确和可靠的结果。
由于实验设计是经过统计学原理和数学模型导出的，因此可以避免大量的试验和浪费资源。
此外，田口方法还可以降低环境因素的干扰，提高实验的稳定性。
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中南财经政法大学 胡铭
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第八章 实验设计与田口方法
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第一节 试验设计概述
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一、试验设计的发展及应用范围
试验设计起源于英国，最早应用于农业生产，20世纪30年代， 由于农业试验的需要，费歇(R. A. Fisher)在考察各种肥料及 施肥量对农作物产量的影响时，建立了试验设计的最初数学模型， 在试验设计和统计分析方面做出了一系列先驱工作，从此试验设 计成为统计科学的一个分支。
随机化原则
随机化原则是对数据进行统计分析的基础，只 有随机化后的数据才服从一定的统计分布规律， 而统计分析则是建立在一定的统计分布的理论 之上。
随机化的方法有：抽签、查随机数表等。
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局部控制原则
局部控制原则是指在一项试验中，除了对选定的因素进 行考察外，在必要时，还可以对实验结果产生的影响和 对实验产生干扰的其他因素，按某些标准将试验对象和 试验环境等试验条件（如日期、地区、生产装置和原料 批次等）分成若干部分或区组进行试验，以实现局部控 制。
介质成分等。 3.水平：因素在试验中所处的状态和条件的变化可能
引起指标的波动，把因素变化的各种状态和条件称 为因素的水平。 一个因素往往要考察几个水平，如采用不同的淬火 温度、不同的冷却速度等。
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（三）正交表的格式与特点
正交表记号涵义
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（四）正交表安排试验的步骤
1.明确试验目的，确定指标。 2.制定因素水平表。 3.选正交表、排表头。 4.排列试验条件。 5.按试验方案进行试验。
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主要优点
合理安排试验，减少试验次数； 找出较好的试验方案； 找出质量指标与影响因素的关系； 找到进一步改进产品质量的试验方向等。
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（二）正交试验方法中的有关概念
1.试验指标。试验需要考察的效果称为试验指标。 数量指标：如硬度、重量、拉力等 非数量指标：如颜色、外观等。 2.因素：对试验指标有影响的参数。 如热处理的淬火温度、淬火时间、回火温度、冷却
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第三节 多因素试验设计
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如果试验安排得当，就能使试验的次数少， 各种因素状态之间的关系考虑周全，取得事 半功倍的效果。当试验中考察两个以上因素 时，则可选用多因素试验设计方法 。
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一、正交试验的基本方法
正交试验是一种科学安排和分析试验的方法。 它是利用“均衡分散性”和“整齐可比性” 正交性原理，从大量的试验点中挑出适量的、 具有代表性、典型的试验点以解决多因素问 题的试验方法。
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一、对分法
对分法也叫平分法，是单因素试验设计方法， 适用于试验范围[a，b]内，目标函数为单 调（连续或间断）的情况下，求最优点的方 法。即如果每做一次试验，根据结果可以决 定下次试验的方向时，就可以应用对分法。
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二、均分法
均分法是单因素试验设计方法，它是在试验 范围(a，b)内，根据精度要求和实际情况， 均匀地排开试验点，在每一个试验点上进行 试验，并相互比较，以求得最优点的方法。
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三、0.618法
0.618法是单因素试验设计法，又叫黄金分 割法。
这种方法是在试验范围内(a，b)，首先安 排两个试验点，再根据两点试验结果，留下 好点，去掉不好点所在的一段范围，再在余 下的范围内继续寻找好点，去掉不好的点， 如此继续地作下去，直到找到最优点为止。
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0.618法要求试验结果目标函数f(x)是单 峰函数，见图所示，即在试验范围(a，b) 内只有一个最优点d，其效果f(d)最好，比 d大或小的点都差，且距最优点d越远的试 验效果越差。
随后，Yates，R. C. Bose，O. Kempthome，W. G. Cochran，D. R. Cox和G. E. P. Box对试验设计都做出了杰 出的贡献，使该分支在理论上日趋完善，在应用上日趋广泛。
20世纪60年代，日本质量管理和统计学家田口玄一将试验设计 中应用最广的正交设计表格化，为试验设计的更广泛使用做出了 巨大贡献。于是试验设计方法成为提高产品质量的重要手段，在 质量管理中发挥了很大的作用。
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在质量管理中使用试验设计主要有下面两个目的： 第一，确定影响质量或生产过程的主要原因； 第二，选择满足设计质量或产品质量的操作条
件。
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二、试验设计的原则、程序与方法
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（一）试验设计的原则
重复原则
重复是为了估计误差，提高试验的精度和增强 统计推断能力。用标准差来度量误差的大小和 描述该项试验的精度。
实施局部控制的目的在于使各部分内或各区组内的实验 环境比较一致或相对稳定，使其差异尽量表现或局限在 各部分之间或各区组之间，而不致影响对考察因素的比 较和分析。
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（二）试验设计的实施程序
1.明确试验目的、确定试验指标； 2.选取试验因素及水平； 3.选定试验设计方法； 4.进行试验； 5.数据分析； 6.结论与建议。
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（五）试验结果分析
对试验结果的分析有两种方法：
直观分析法：直观比较试验方案的试验结果。 极差分析法：要求通过计算同一因素不同水平
试验指标的极差，了解试验结果的波动情况， 然后比较不同因素的极差值，以便找到效果更 好的试验方案。
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极差分析法分析问题的步骤
1.计表示对应各因素1，2，3水平的指标和。
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（三）试验设计方法的选择
试验设计方法类型：
单因素试验设计 双因素试验设计 多因素试验设计 正交试验设计 均匀试验设计 因子试验设计
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第二节 单因素试验设计
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优选法是一种指导我们用较少的试验次数寻 找最优方案的科学方法，以达到优质、高产、 低耗的效果。
当试验中只考察一个因素时，可选用单因素 优选法。
这个要求在大多数实际问题中都能满足。但 也有不能满足的情况，此时不能用0.618法。
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单峰函数图
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四、分数法
分数法是单因素试验设计方法。基本原理与 0.618相同，适用于试验范围(a，b)内目 标函数为单峰的情况。
与0.618法不同之处在于要求预先给出试验 总数，或者可由已确定的试验范围和精确度 计算出试验总数的情况。如当试验点只能安 排在一些高散点上时，如机床的转速有若干 档次，采用分数法比0.618法更为方便。