第三章第七节 试验设计及优选方法教材
试验设计方法课程教学大纲
"试验设计方法"课程教学大纲课程编号：55036120学时：32学分：2先修课程：《无机化学》、《物理化学》、《电子材料》、《微机原理与应用》、《大学物理》、《高等数学》、《概率及数理统计》一.课程性质和任务试验设计方法是自然科学研究方法论领域中一个分支学科。
正确设计试验方案并对所获得的实验数据进行科学的统计分析是每个研究工作者必须具备的基本功。
应用科学的试验设计方法，可以以最少的人力、物力消耗，取得更多、更好的科研成果，达到多、快、好、省建设社会主义的目的。
其任务是让学生掌握近代最常用、最有效的几种试验设计方法的基本原理及其在化学、电子、材料和机械等领域中应用的基本方法。
二.教学目的和要求(1)正交试验法：要求学生掌握正交实验法的基本原理，能熟练地运用正交实验法安排多因素多水平多指标的正交实验，正确地运用自由度选表原则，选择适当的正交表来安排正交实验，并能用极差分析法、方差分析法分析实验结果。
掌握多指标问题及正交表在试验设计中的灵活应用方法。
掌握混合水平正交试验设计方法，活动水平法，组合因素法及正交分割试验的原理及实施方法。
(2)优选法基础：掌握优选法的基本原理，掌握黄金分割、平分法，多因素降维法进行试验设计的原理及应用。
(3)回归分析法：掌握一元线性回归、多元回归、正交多项回归方程建立的基本方法。
(4)均匀设计法及单纯形法：掌握均匀设计法的基本原理及应用。
掌握单纯形优化法的基本原理，单纯形法优化法的参数选择及应用。
三.课程内容和学时分配本课程共分7章，总学时为32学时，其中讲授28学时，实验4学时，课外上机8学时。
内容学时数绪论1第一章 正交试验基本方法5第二章 正交试验结果的统计分析--方差分析法5第三章 多指标问题及正交表在试验设计中的灵活运用5第四章 优选法基础3第五章 回归分析法4第六章 均匀设计法3第七章 单纯形优化法2四.基本内容绪论（1学时）?试验设计方法在科学技术发展中的地位和作用。
《试验设计方法》课件
03
试验设计的方法
Chapter
单因素试验设计
简单易行，试验次数较少，适用 于探索性试验和初步试验。
当试验因素之间存在交互作用时 ，单因素试验设计可能无法得出 准确的结论。
定义 特点
适用范围 注意事项
单因素试验设计是指在试验中只 考虑一个试验因素变化，其他试 验因素保持不变的试验设计方法 。
适用于对试验因素影响较小时， 或者当试验因素之间相互独立时 。
总结词
通过单一变量的变化，探究其对试验 结果的影响。
详细描述
例如，研究温度对某化学反应速率的 影响，通过调整单一的温度变量，观 察反应速率的变化。
多因素试验设计案例
总结词
同时考虑多个因素对试验结果的影响，探究各因素之间的交互作用。
详细描述
例如，研究温度和压力对气体体积的影响，同时调整温度和压力两个因素，观察气体体积的变化。
农业政策制定
试验设计方法用于评估农业政策 的效果，为政策制定和调整提供 数据支持。
在工业领域的应用
新产品开发
试验设计方法用于工业新产品开发的早期阶段，通过试验找出关 键工艺参数和产品性能之间的关系。
工艺优化
试验设计用于工业生产过程中，优化工艺参数以提高产品质量和 生产效率。
可靠性工程
试验设计用于评估产品的可靠性和耐久性，预测产品在不同环境 下的性能表现。
Design-Expert具有强大的数据 分析和可视化功能，支持多种回 归模型和优化算法，可以帮助用 户深入分析试验数据并找到最优 解。
详细描述
Design-Expert还提供了多种输 出选项和报告生成工具，使得用 户可以轻松地分享和交流试验结 果。
DoE软件介绍
总结词
《试验设计》课程教学大纲
试验设计ExperimentDesign一、课程基本信息学时：32（理论20,实验12）学分：2考核方式：考查，平时成绩占总成绩的30%中文简介：《试验设计》是统计学学专业的专业选修课，主要目标是培养掌握试验统计设计的常规技术与方法、能熟练应用统计方法进行试验结果分析的统计专业人才。
通过本课程学习，使学生了解什么是试验设计，掌握各种试验设计的基本原理，结合实际生活中的典型案例进行具体分析，加深对试验设计基本原理的理解和认识。
在教学过程中通过SPSS教学软件的演示及使用，使学生加深对操各种试验设计概念的认识。
二、教学目的与要求本课程的教学任务分理论授课和上机实践两个环节，教学目的是让学生既掌握试验设计理论方法，又掌握试验设计数据的统计分析软件实现技能。
课程基本要求如下：（一）要求学生能掌握试验设计的知识结构；（二）能使用常规的试验设计方法进行基本试验设计；（三）能利用SPSS等统计软件进行试验数据统计分析和结论解释。
三、教学方法与手段1、教学方法在课程的教学过程中，根据教学内容的不同，综合采用多种的教学方法，以提高教学质量,更好地完成教学任务。
（1）课堂讲授：在课堂讲授中，首先始终注意紧密联系最新的试验设计方法；其次是紧紧把握时代脉搏，把试验设计基本原理同现实生活中的实际现象结合起来讨论，使学生能学以致用。
（2）案例教学:教师在教学过程中选择恰当的案例作为课程内容，并采用案例分析、案例讨论等教学环节，促进学生对课程内容的理解和与实践的结合。
案例的有趣性、可读性，可以有效地调动学生的学习积极性，弥补一般教科书叙述简单、推论抽象的弱点，改变理论与实践相脱节的现象。
（3）学生讲授：为了锻炼学生的实际应用能力，加深其对某一试验设计知识的认识和了解，提高学生的学习兴趣，激发学生的学习热情。
在教学过程中，可以安排学生对某一窠例进行广泛的知识收集整理后，让学生面对大家给出自己的认识和理解。
这种学生讲授的教学方法，可以提高学生的资料收集整理能力，提高学生的综合分析能力，并对学生的课堂陈述提出了较高的要求，如果引导得当，能够很好实现学生的表现欲望，让学生感受到极大的成就感。
试验设计方法【共27张PPT】
Ⅲ ck 1 2 3 4 ck 5 6 7 8 ck
如果在一条地上安排不下整个重复,可在排到有对照区的地方转 接到第二条地上,但在第二条地的开头应增设一个对照区,称为额外 对照区(Ex.CK)。
8个处理3次重复的间比设计(方案2:额外对照)
ck 1 2 3 4 ck 5 6 7 8 ck 1 2 3 4 ck
方。
由于拉丁方在纵横两个方向都设置了区组，从而能从纵横两个方向消除土壤肥力差异，故拉丁方设计比随机区组设计具有更高的精确度。
B B C 由于拉丁方和正交拉丁方从随机区组的误差平方和中进一步分解出一些可控因素的平方和,如行平方和与列平方和,使试验的精度得到进一步的提高。
由于拉丁方和正交拉丁方从随机区组的误差平方和中进一步分解出一些可控因素的平方和,如行平方和与列平方和,使试验的精度得到进一步的提高 。
C A D 区组内的差异尽可能的小,区组间的差异尽可能的大。
随机区组设计,在一定程度上消除了由于实验条件或实验材料的非同质性给实验带来的误差。 间比法设计的排列特点：
D E A 现以4×4拉丁方说明此法的步骤：
进行拉丁方设计时,为了获得所需的拉丁方,可简捷地在选择标准方的基础上进行横行、直行及处理的随机,这称作标准方随机换位法。
1.拉丁方设计的特点(单因素)：
Ø处理数=重复数=行区组数=列区组数； Ø每一直行及每一横行都成为一区组或重复,而每一处理在每一直行或
横行都只出现一次。
列区组
↓↓↓ ↓↓
→CDA E B
行→ E C D B A
区→ 组→
B A
A B
E C
C D
D E
→DE BAC
Ⅰ
Ⅱ
ck 8 7 6 5 ck 4 3 2 1 ck 8 7 6 5 EXc
刘小明-中级质量工程师课程大纲
◆熟悉和掌握统计过程控制概述、控制图的基本原理、分析用控制图与控制用控制图、常规控制图的做法及其应用、过程能力与过程能力指数、过程控制的实施六方面内容。
习题讲解
第二章常用统计技术
第一节方差分析
一、几个概念
二、单因子方差分析
三、重复数不等的情况
第二节回归分析
一、散布图
二、相关系数
三、一元线性回归方程
四、可化为一元线性回归的曲线回归
第三节试验设计
一、试验设计的基本概念与正交表
二、无交互作用的正交试验设计与数据分析
三、有交互作用的正交试验设计与数据分析
习题讲解
习题讲解
第五章计量基础
第一节基本概念
一、计量的内容、分类和特点
二、计量的法律法规
三、剂量的溯源、校准和检定
第二节计量单位
一、概述
二、法定计量单位的构成
三、法定计量单位的基本使用方法
第三节测量仪器
一、概述
二、测量仪器的计量特性
三、测量仪器的选用原则
第四节测量结果与测量准确度
一、测量结果、测量误差及测量结果的修正
六、维修性设计
第三节可靠性试验
一、环境应力筛选试验
二、可靠性增长试验
三、加速寿命试验
四、可靠性测定试验
五、可靠性鉴定试验
六、可靠性验收试验
第四节可信性管理
一、可信性管理应遵循的基本原则
二、管理的基本职能、对象和方法
三、建立故障报告、分析和纠正措施系统（FRACAS）
《试验设计及最优化》课程教学大纲
“DesignofExperimentaland Optimization” mainly teaches the methods and skills of experimental design and data processing. It is a fundamental professional course that provides practical and scientific knowledge of experimental design and data processing skills for personnel engaged in scientific research, engineering experiments, and engineering design in the fields of chemical engineering and material science.
试验设计及最优化
课程名称
中文
试验设计及最优化
课程编号
0005200105
英文
DesignofExperimentaland Optimization
开课单位
化学化工学院
考核方式
考试
学时
32
学分
2
课程术学位硕士生、专业学位硕士生、非全日制专业学位硕士生
课程简介(中文)：
《试验设计及最优化》主要讲授试验设计与数据处理的方法和技能，是一门为从事化工、材料等方面的科学研究、工程实验以及工程设计等工作的研究人员提供相应的试验设计与数据处理知识与技能的基础性专业课程。
教材及主要参考书目：
李云雁，胡传荣编，《试验设计与数据处理》第三版，化学工业出版社，2017.9
试验优化设计与分析(教材)
试验优化设计与分析(教材)成果总结成果完成人：任露泉，丛茜，杨印生，李建桥，佟金成果完成单位：吉林大学推荐等级建议：二等奖1.立项背景在现代社会实现过程和目标的最优化，已成为解决科学研究、工程设计、生产管理以及其他方面实际问题的一项重要原则。
试验优化技术因其具有设计灵活、计算简便、试验次数少、优化成果多、可靠性高、适用面广等特点，已成为现代设计方法中一个先进的设计方法，成为发达国家企业界人士、工程技术人员、研究人员和管理人员的必备技术，它对于创造利润和提高生产率起着巨大的作用。
因此在我国为了赶超世界先进水平，促进科研、生产和管理事业的发展，编著相关教材，大力推广与应用试验优化技术，不仅具有普遍的实际意义，也具有一定的迫切性。
20世纪80年代初，鉴于国民经济建设实践和科学技术研究中对试验优化技术的广泛需求，为推动教学改革、提高教学质量，任露泉教授对试验优化理论与技术进行了深入系统研究，为本科生开设了“试验设计”课程，为研究生开设了“试验优化技术”课程，并于1987年由机械工业出版社出版了教材《试验优化技术》，产生了很高的学术与技术影响。
2001年任露泉教授在《试验优化技术》一书的基础上编著了《试验优化设计与分析》教材，由吉林科技出版社出版发行。
该教材是对1987年出版的《试验优化技术》的修改、补充和发展。
作者根据对试验优化的教学和科研应用的多年实践与体会，为适应读者学习与使用的实际需要，调整修改了原书中的部分内容和一些方法的设计程式；补充了一些试验优化设计的新方法、新技术；增添了试验优化的一些最新应用实例；并增加了试验优化分析一篇。
本教材2001年获吉林省长白山优秀图书一等奖，2002年被遴选为教育部全国研究生教学用书，再次出版发行，2004年获吉林省教学成果一等奖。
2.教材内容本教材万字，共分三篇二十一章。
第一篇试验设计，除正交设计、干扰控制设计与数据处理等常用技术外,还介绍SN比设计、均匀设计、广义设计、调优运算及稳健设计等正交试验设计技术的拓广应用和现代发展的最新方法；第二篇回归设计，除各种回归的正交设计、旋转设计、饱和设计、多项式设计、还介绍多次变换设计、交互作用搜索设计、混料设计以及D-最优设计等回归设计技术的进一步完善与最新应用技术；在第三篇试验优化技术分析中,介绍了试验数据处理过程中经常遇到的难题及其解决办法，数据分析的最新研究成果及其应用实例。
试验设计及优选方法
0.618法
X2 a 0.382 0.618 X1 = a + 0.618(b-a) X2 = a + b – X1 第一点 = 小 + 0.618( 大- 小) × ★
X1 ×
b
第二点 = 小 + 大 – 第一点（前一点）
第一点是经过试验后留下的好点；
0.618法
690
709
721
740
×
×
第一点产率低
第二节 双因素优选法
坐标（因素）轮换法 平行线法
如果有两个主要的因素影响优选目标，则可以用双 因素优选方法． 这种方法首先按相对的重要性进行因素排序，重要 的放在前面，然后除了第一个因素外，第二个因素暂时 固定，只对第一个因素进行优选，这时就可以按处理单 因素问题的方法来进行试验了．选出最优点后，就把第 一个因素固定在好点的水平上，再对第二个因素进行优 选，如此一步一步地进行下去．
在实际问题中，经常会遇到由于设备或其它种种条 件的限制而有一个因素不容易调整．比如一个是浓度， 一个是流速，调整浓度就比调整流速困难．在这种情形 下，采用平行线法比较优越。 这个方法是：把不易调整的一个因素，固定在某个 位置，对易于调整的另一个因素进行优选，比较结果， 得到最好点。
第三节 正交试验法
另外在这个方法中哪些因素放在前面哪些因素放在后面对于选优的速哪些因素放在前面哪些因素放在后面对于选优的速度影响较大一般按各因素对试验结果影响的大小依次度影响较大一般按各因素对试验结果影响的大小依次自前向后排列这样往往能够较快地得到满意的结果
第七节 试验设计及优选方法
在实验室工艺研究、中试放大研究及生 产中都涉及化学反应各种条件之间的相 互影响等诸多因素。 要在诸多因素中分清主次，就需要合 理的试验设计及优选方法，为找出影响 生产工艺的内在规律以及各因素间相互 关系，尽快找出生产工艺设计所要求的 参数和生产工艺条件提供参考。
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❖ 试验中要考虑的对试验指标可能有影响的变量简称 为因素，用大写字母A、B、C…表示
❖ 每个因素可能出的状态称为因素的水平（简称水平）
正交表的记号及含义
正交表是一种特别的表格，是正交设计的基本工具。 我们只介绍它的记号、特点和使用方法。
C3
❖ 试验结果以C3最好。于是得出最佳工艺条件为A3B2C2。
B3
B2 B1A1
C
3
C
2
A2
A3C1
简单比较法的试验点
❖ 简单比较法的优缺点：
❖ 优点：试验次数少
❖ 缺点：
（1）试验点不具代表性。考察的因素水平仅局限于局 部区域，不能全面地反映因素的全面情况。
（2）无法分清因素的主次。 （3）如果不进行重复试验，试验误差就估计不出来， 因此无法确定最佳分析条件的精度。
记号及含义
正交表的代号
S 正交表的列数
（最多能安排的因素个数，
包括交互作用、误差等）
LN qS
q 各因素的水平数
N 正交表的行数
（各因素的水平数相等）
❖ 缺点：(1)试验次数太多，费时、费事，当因素水平比较多 时，试验无法完成。
(2) 不做重复试验无法估计误差。 (3)无法区分因素的主次。
❖ 例如选六个因素，每个因素选五个水平时，全面试验的数 目是56 ＝15625次。
❖ 1978年，七机部由于导弹设计的要求，提出了一个五因素 的试验，希望每个因素的水平数要多于10，此时靠全面试 验法是无法完成的。
❖ 试验实施时的数据必须准确，重复性好，试验 设计和对试验结果的分析也很重要。
❖ 这里，对因素A、B、C在试验范围内分别选取三个 水平
❖ A：A1＝80℃、A2＝85℃、A3＝90℃ ❖ B：B1＝90Min、B2＝120Min、B3＝150Min ❖ C：C1＝5%、C2＝6%、C3＝7%
❖ 试验设计中，因素可以定量的，也可以使定性的。 而定量因素各水平间的距离可以相等也可以不等。
反应终点的控制，主要是控制主反应的完成； 测定反应系统中是否尚有未反映的原料存在； 或其残存量是否达到一定的限度。
监控方法：薄层色谱、纸色谱或气相色谱
也可用快速简易的方法，如测定其显色、沉淀、 酸碱度、相对密度、折光率等
❖ 三、化学原料药质量的考察
❖ 1．药品纯度
❖ ２．药品的稳定性
❖ ３．药品的生物有效性
A2B2C3 A2B3C1 A2B3C2 A2B3C3
A3B2C3 A3B3C1 A3B3C2 A3B3C3
B2 B1A1
C
3
C
2
A2
A3C1
❖ 共有3³=27次试验，如图所示，立方体包含了27个
节点，分别表示27次试验。
❖ 全面试验法的优缺点：
❖ 优点：对各因素于试验指标之间的关系剖析得比较清楚
❖ 取三因素三水平，通常有两种试验方法：
❖ （1）全面实验法：
A1B1C1
A2B1C1
A3B1C1
A1B1C2
A2B1C2
A3B1C2
B3
A1B1C3
A2B1C3
A3B1C3
A1B2C1
A2B2C1
A3B2C1
A1B2C2
A2B2C2
A3B2C2
A1B2C3 A1B3C1 A1B3C2 A1B3C3
2.反应物料对所接触到的设备材质的要求
第七节 试验设计及优选方法
❖ 试验设计及优选方法是以概率论和数理统计为 理论基础，安排试验的应用技术。其目的是通过合 理地安排试验和正确地分析试验数据，以最少的试 验次数，最少的人力、物力，最短的时间达到优化 生产工艺方案。
❖ 试验设计及优选方法过程包括：试验设计、试 验实施和对实验结果的分析三个阶段。
（4）无法利用数理统计方法对试验结果进行分析，提 出展望好条件。
一、正交试验的提出：
正交设计—在全面试验点中挑选出最具有代表性的 点做试验，挑选的点在其范围内具有均匀分散和整 齐可比的特点。
事实上，正交最优化方法的优点不仅表现在试验的 设计上，更表现在对试验结果的处理上。
❖ 正交试验法优点：
（1）试验点代表性强，试验次数少。 （2）不需做重复试验，就可以估计试验误差。 （3）可以分清因素的主次。 （4）可以使用数理统计的方法处理试验结果，提 出展望好条件。
五、反应条件极限试验
有些尖顶型化学反应对工艺条件要求 严格，超过某一极限后，就会造成重大 损失。在这种情况下，应该进行工艺条 件的极限试验，有意识地安排一些破坏 性试验，以便全面掌握该反应的规律， 为确保生产正常和安全提供必要的数据。
六、设备因素和设备材质
1.各种化学反应对设备的要求不同，而且 反应条件与设备条件之间是相互联系又 相互影响的。
正交试验（表）法的特点： （1）均衡分散性－－代表性。 （2）整齐可比性－－可以用数理统计方法对
试验结果进行处理。
❖ 用正交表安排试验时，对于例1：
3 9
B3
6
2
B2
1
B1A1
5 8
4
A2
7
C
3 C
2 A3C1
用正交试验法安排试验只需要9次试验
用正交表安排试验
❖ 一、指标、因素和水平 ❖ 试验需要考虑的结果称为试验指标（简称指标）
第三章合成药物 工艺研究
第六节 药品质量监控和工艺研究中的 过度试验
❖ 一、原辅材料、中间体的质量监控
❖ 1. 原辅材料更换时，必须严格检验后，才可 投料
❖ 2. 原辅材料或中间体所含杂质或水分不能超 过限量
❖ 3.由于副反应的存在，生成的副产物混杂在 主产物中，必须反复精制
❖ 2.反应终点的监控
（2）简单比较法
❖ 变化一个因素而固定其它因素，如首先固定B、C于B1、
C1，使A变化之，则：
B1C1
A1
A2 A3(好结果)
❖ 如果得出结果A3最好，则固定A于A3，C还是C1，使B变
化，则：
A3C1
B1 B2(好结果)
B3
❖ 得出结果B2最好，则固定B于B2，A于A2，使C变化，则：
A3B2
C1 C2 (好结果)
无味氯霉素有A、B、C三种晶型及无定型，其中A、 C为无效型，而B及无定型为有效。原因是有效口 服给药时易为胰酯酶水解，释出氯霉素而显示抗菌 作用，而A、C型结晶不能为胰酯酶水解。
四、原副材料规格的过渡试验
在工艺研究中还必须进行必要的控 制试验，以确定原辅材料以及设备条件、 材质的最低标准。此即工艺条件研究中 的过渡试验。