第九章 3响应表面试验设计
响应面法实验
试验设计与优化方法，都未能给出直观的图形，因而也不能凭直觉观察其最优化点，虽然能找出最优值，但难以直观地判别优化区域．为此响应面分析法（也称响应曲面法）应运而生．响应面分析也是一种最优化方法，它是将体系的响应（如萃取化学中的萃取率）作为一个或多个因素（如萃取剂浓度、酸度等）的函数，运用图形技术将这种函数关系显示出来，以供我们凭借直觉的观察来选择试验设计中的最优化条件．显然，要构造这样的响应面并进行分析以确定最优条件或寻找最优区域，首先必须通过大量的量测试验数据建立一个合适的数学模型（建模），然后再用此数学模型作图．建模最常用和最有效的方法之一就是多元线性回归方法．对于非线性体系可作适当处理化为线性形式．设有m个因素影响指标取值，通过次量测试验，得到n组试验数据．假设指标与因素之间的关系可用线性模型表示，则有应用均匀设计一节中的方法将上式写成矩阵式或简记为式中表示第次试验中第个因素的水平值；为建立模型时待估计的第个参数；为第次试验的量测响应（指标）值；为第次量测时的误差．应用最小二乘法即可求出模型参数矩阵B如下将B阵代入原假设的回归方程，就可得到响应关于各因素水平的数学模型，进而可以图形方式绘出响应与因素的关系图．模型中如果只有一个因素（或自变量），响应（曲）面是二维空间中的一条曲线；当有二个因素时，响应面是三维空间中的曲面．下面简要讨论二因素响应面分析的大致过程．在化学量测实践中，一般不考虑三因素及三因素以上间的交互作用，有理由设二因素响应（曲）面的数学模型为二次多项式模型，可表示如下：通过n次量测试验（试验次数应大于参数个数，一般认为至少应是它的3倍），以最小二乘法估计模型各参数，从而建立模型；求出模型后，以两因素水平为X坐标和y坐标，以相应的由上式计算的响应为Z坐标作出三维空间的曲面（这就是2因素响应曲面）．应当指出，上述求出的模型只是最小二乘解，不一定与实际体系相符，也即，计算值与试验值之间的差异不一定符合要求．因此，求出系数的最小二乘估计后，应进行检验．一个简单实用的方法就是以响应的计算值与试验值之间的相关系数是否接近于1或观察其相关图是否所有的点都基本接近直线进行判别．如果以表示响应试验值，为计算值，则两者的相关系数R定义为其中对于二因素以上的试验，要在三维以上的抽象空间才能表示，一般先进行主成分分析进行降维后，再在三维或二维空间中加以描述．等等…………2注意事项对于构造高阶响应面，主要有以下两个问题：1，抽样数量将显著增加，此外，普通的实验设计也将更糟。
响应面试验设计与分析
响应面试验设计与分析响应面试验设计与分析是一种常用的实验设计方法，用于确定多个因素对其中一响应变量的影响程度和相互作用关系。
在工程、科学和医学等领域中，响应面试验设计与分析被广泛应用于优化工艺参数、确定最佳组合方案、优化配方等方面。
首先，确定试验因素和水平。
试验因素是指对响应变量有潜在影响的变量，水平是指试验因素的不同取值。
在确定试验因素和水平时，需要考虑相关信息，如前期试验结果、实际生产条件、实例经验等。
其次，确定试验设计。
常用的试验设计方法包括正交设计、Box-Behnken设计、中心组合设计等。
正交设计能够探索更多的因素和交互作用，但对样本量要求较高；Box-Behnken设计适用于三因素三水平的试验设计，样本量要求相对较低；中心组合设计是通过在试验设计中增加中心点来检查实验的误差，从而进行检验实验的可重复性和可靠性。
第三步是进行试验。
根据确定的试验设计方法，制定实际的试验方案，包括试验样本数量、试验条件、试验次数等。
对于每一组试验，记录相关数据。
第四步是分析数据及建立预测模型。
通过对试验数据的统计分析，建立影响因素与响应变量之间的关系模型。
常用的分析方法包括方差分析、回归分析等。
在建立预测模型时，可以使用多元多项式回归、径向基函数网络等方法。
最后一步是优化响应变量。
通过分析建立的预测模型，确定最优条件以达到最佳响应变量。
这可以通过对响应曲面图进行优化，找到使响应变量最大或最小的取值。
响应面试验设计与分析的优点是能够更全面地考虑多个因素对响应变量的影响，并建立预测模型进行优化。
但也存在一些限制，如样本量有限、模型的假设条件等。
因此，在进行响应面试验设计与分析时，需要仔细选择试验因素、合理确定试验设计，并对结果进行验证和优化。
响应面法在实验设计中的应用
响应面法在实验设计中的应用在科学研究中，实验是最基础的研究手段之一。
为了让实验设计更加精准和高效，研究者需要有一定的实验设计和分析能力。
响应面法是一种常用的实验设计方法，能快速确定影响因素与响应值之间的关系，大大提高了实验设计的效率。
一、响应面法的基本概念响应面法是一种建立影响因素与响应值之间关系模型的方法。
在响应面法中，研究者首先选取一组实验方案，通过实验获得不同因素水平下的响应值，并建立影响因素与响应值之间关系的数学模型。
通过模型预测不同因素水平下的响应值，为优化实验条件提供指导。
二、响应面法的步骤响应面法的应用需要以下步骤：1. 确定实验因素和水平实验因素是影响响应值的因素，如温度、压力、pH值等。
实验水平是实验因素在实验过程中设定的特定取值。
2. 设计实验方案根据实验因素和水平设计实验方案。
实验设计的目的是尽量少的实验次数获得实验数据，建立响应模型。
3. 进行实验在实验过程中，根据实验方案对实验进行操作，并记录数据。
4. 分析数据分析实验数据，根据实验数据建立影响因素和响应值之间的数学模型。
可以使用回归分析方法，建立线性或非线性模型。
5. 验证模型通过验证模型的预测值与实验值的拟合程度，来确认模型的可用性。
6. 进行优化通过模型预测不同因素水平下的响应值，找到最优的实验因素组合，来优化实验条件。
三、响应面法的应用响应面法在科学研究、工程设计、生产控制等领域中得到广泛应用。
例如在化学合成过程中，响应面法可以优化反应条件和提高反应效率；在制造领域中，响应面法可以优化产品质量和提高生产效率。
四、响应面法存在的问题响应面法虽然能大大提高实验设计的效率和精度，但是也存在一些问题。
比如，响应面法建立的模型只适用于实验条件和范围内，因此其预测能力存在一定的局限性。
同时，在实验设计过程中，实验过程和实验条件的控制都是至关重要的，任何偏差都会影响实验结果的可靠性和准确性。
总之，响应面法是一种实验设计的重要方法，通过其可以有效找到影响因素与响应值之间的关系，提供对实验条件的优化建议。
响应面法实验
试验设计与优化方法，都未能给出直观的图形，因而也不能凭直觉观察其最优化点，虽然能找出最优值，但难以直观地判别优化区域．为此响应面分析法（也称响应曲面法）应运而生．响应面分析也是一种最优化方法，它是将体系的响应（如萃取化学中的萃取率）作为一个或多个因素（如萃取剂浓度、酸度等）的函数，运用图形技术将这种函数关系显示出来，以供我们凭借直觉的观察来选择试验设计中的最优化条件．显然，要构造这样的响应面并进行分析以确定最优条件或寻找最优区域，首先必须通过大量的量测试验数据建立一个合适的数学模型（建模），然后再用此数学模型作图．建模最常用和最有效的方法之一就是多元线性回归方法．对于非线性体系可作适当处理化为线性形式．设有m个因素影响指标取值，通过次量测试验，得到n组试验数据．假设指标与因素之间的关系可用线性模型表示，则有应用均匀设计一节中的方法将上式写成矩阵式或简记为式中表示第次试验中第个因素的水平值；为建立模型时待估计的第个参数；为第次试验的量测响应（指标）值；为第次量测时的误差．应用最小二乘法即可求出模型参数矩阵B如下将B阵代入原假设的回归方程，就可得到响应关于各因素水平的数学模型，进而可以图形方式绘出响应与因素的关系图．模型中如果只有一个因素（或自变量），响应（曲）面是二维空间中的一条曲线；当有二个因素时，响应面是三维空间中的曲面．下面简要讨论二因素响应面分析的大致过程．在化学量测实践中，一般不考虑三因素及三因素以上间的交互作用，有理由设二因素响应（曲）面的数学模型为二次多项式模型，可表示如下：通过n次量测试验（试验次数应大于参数个数，一般认为至少应是它的3倍），以最小二乘法估计模型各参数，从而建立模型；求出模型后，以两因素水平为X坐标和y坐标，以相应的由上式计算的响应为Z坐标作出三维空间的曲面（这就是2因素响应曲面）．应当指出，上述求出的模型只是最小二乘解，不一定与实际体系相符，也即，计算值与试验值之间的差异不一定符合要求．因此，求出系数的最小二乘估计后，应进行检验．一个简单实用的方法就是以响应的计算值与试验值之间的相关系数是否接近于1或观察其相关图是否所有的点都基本接近直线进行判别．如果以表示响应试验值，为计算值，则两者的相关系数R定义为其中对于二因素以上的试验，要在三维以上的抽象空间才能表示，一般先进行主成分分析进行降维后，再在三维或二维空间中加以描述．等等…………2注意事项对于构造高阶响应面，主要有以下两个问题：1，抽样数量将显著增加，此外，普通的实验设计也将更糟。
响应表面试验设计方法及MINITAB优化CCD_BBD ppt课件
响应表面试验设计方法及 MINITAB优化CCD_BBD
➢确信或怀疑因素对指标存在非线性影响； ➢因素个数2-7个，一般不超过4个； ➢所有因素均为计量值数据； ➢试验区域已接近最优区域； ➢基于2水平的全因子正交试验。
响应表面试验设计方法及MINITAB优化 CCD_BBD
➢中心复合试验设计 (central composite design，CCD)；
➢Box-Behnken试验设计；
响应表面试验设计方法及 MINITAB优化CCD_BBD
1. 确定因素及水平，注意水平数为2，因素数一般不超 过4个，因素均为计量数据；
2. 创建“中心复合”或“Box-Behnken”设计； 3. 确定试验运行顺序(Display Design)； 4. 进行试验并收集数据； 5. 分析试验数据； 6. 优化因素的设置水平。
这种设计失去了序贯性，前一次在立方点上已经做 过的试验结果，在后续的CCI设计中不能继续使用。
对于α值选取的另一个出发点也是有意义的，就是 取α=1，这意味着将轴向点设在立方体的表面上， 同时不改变原来立方体点的设置，这样的设计称为 中心复合表面设计 (central composite facecentered design,CCF)。
响应表面试验设计方法及 MINITAB优化CCD_BBD
将各试验点取在立方体棱的中点上
响应表面试验设计方法及 MINITAB优化CCD_BBD
➢ 在因素相同时，比中心复合设计的试
验次数少； ➢ 没有将所有试验因素同时安排为高水平 的试验组合，对某些有安全要求或特别需 求的试验尤为适用； ➢ 具有近似旋转性，没有序贯性。
响应表面试验设计方法及MINITAB优 化CCD_BBD
响应面设计步骤范文
响应面设计步骤范文一、确定目标和实验因素首先，需要明确实验的目标，即要优化的响应变量。
然后，确定可能影响响应变量的一系列实验因素，并选择其水平。
实验因素可以是连续变量或离散变量。
二、选择实验设计方案根据实验因素的个数和水平，选择适当的实验设计方案。
常见的响应面设计方法包括中心组合设计、Box-Behnken设计和Doehlert设计等。
选择适当的实验设计方案可以提高实验效率。
三、设计实验矩阵根据所选的实验设计方案，设计实验矩阵。
实验矩阵是一张表格，列出了每个实验条件下各实验因素的水平。
根据实验设计方案的要求，可以使用统计软件生成实验矩阵。
四、进行实验并收集数据根据设计好的实验矩阵进行实验，并记录每个实验条件下的响应变量数值。
为了保证实验结果的可靠性，应该进行重复实验，并计算平均值。
五、建立响应变量与实验因素的数学模型利用统计学方法，建立响应变量与实验因素之间的数学模型。
常用的方法包括线性回归、多元回归和方差分析等。
根据实验数据进行拟合，并选择合适的模型。
六、模型优化和参数估计利用建立的数学模型，进行模型优化和参数估计。
通过对模型进行参数估计，可以确定最佳的实验条件和参数设置，从而优化响应变量。
七、模型验证和分析通过对建立的数学模型进行验证，检验模型的合理性和准确性。
常用的方法包括残差分析和预测检验等。
如果模型验证合格，则可以使用模型进行预测和分析。
八、优化结果解释和应用根据模型的结果进行优化结果的解释和应用。
可以根据模型预测的结果，选择最佳的实验条件和参数设置，从而实现对响应变量的优化。
九、实施优化方案根据优化结果，制定和实施优化方案。
通过对实验条件和参数的调整，以及其他改进措施，最终达到优化响应变量的目标。
总结：响应面设计是一种用于优化实验过程的重要方法，通过建立响应变量与实验因素之间的数学模型，帮助确定最佳的实验条件和参数设置。
其步骤包括确定目标和实验因素、选择实验设计方案、设计实验矩阵、进行实验和收集数据、建立数学模型、模型优化和参数估计、模型验证和分析、优化结果解释和应用，以及实施优化方案。
响应面法实验设计步骤
响应面法实验设计步骤
嘿，咱今儿来聊聊响应面法实验设计步骤哈！这响应面法啊，就好比是你要去一个陌生的地方找宝藏。
第一步呢，就是确定你要找宝藏的范围，这就像是确定你的因素和水平。
你得想好哪些因素可能会影响到你的宝藏呀，比如是走这条路还是那条路，是白天去找还是晚上去找。
然后给这些因素设定不同的水平，就像给每条路设定不同的难度级别一样。
第二步，那就是要开始设计实验啦！这就像你规划好怎么去走这些路，怎么去尝试不同的组合。
你得选好合适的实验点，可不能瞎选哦，不然就像无头苍蝇一样乱撞啦！
第三步呢，就是真刀真枪地去做实验啦！这可不能马虎，得认真对待，就跟你真的踏上找宝藏的路途一样，每一步都得走稳咯。
第四步，收集数据呀！这就好比你沿途做标记，记住你走过的路和遇到的情况。
这些数据可都是宝贝呀，能帮你找到宝藏的线索呢！
第五步，拟合模型！哎呀呀，这就像是把那些标记和线索串起来，看看能不能找到宝藏的大致方向。
第六步，对模型进行分析。
这时候你就得好好瞅瞅这个模型靠不靠谱啦，有没有把你带偏呀。
第七步，优化！哈哈，这就是要找到那个最有可能藏着宝藏的地方
啦！要精确定位哦！
你说这响应面法是不是很有趣呀？就像一场刺激的寻宝之旅！你得有耐心，还得有智慧，可不能瞎折腾。
不然，宝藏可就跟你擦肩而过咯！
总之，响应面法实验设计步骤就是这么一套厉害的法宝，能帮你在科研的道路上找到属于你的“宝藏”！好好用它，肯定能有大收获！。
响应表面试验设计方法及MINITAB优化CCDBBD共38页文档
5
-1 -1 1 -0.6 -0.6 0.6 -1 -1 1
6
1 -1 1 0.6 -0.6 0.6 1 -1 1
7
-1 1 1 -0.6 0.6 0.6 -1 1 1
8
1 1 1 0.6 0.6 0.6 1 1 1
9 -1.68 0 0 -1 0 0 -1 0 0
10 1.68 0 0 1 0 0 1 0 0
三因子4种响应曲面设计实验点计划表
CCD
CCI
CCF
ABC ABC ABC
1
-1 -1 -1 -0.6 -0.6 -0.6 -1 -1 -1
2
1 -1 -1 0.6 -0.6 -0.6 1 -1 -1
3
-1 1 -1 -0.6 0.6 -0.6 -1 1 -1
4
1 1 -1 0.6 0.6 -0.6 1 1 -1
但由于把区组也作为一个因素来安排， 增加了分析的复杂程度。
序贯试验（顺序试验）
先后分几段完成试验，前次试验设计的点上 做过的试验结果，在后续的试验设计中继续 有用。
旋转性(rotatable)设计
旋转设计具有在设计中心等距点上预测方差 恒定的性质，这改善了预测精度。
α 的选取
在α 的选取上可以有多种出发点，旋转性是
如果要求进行CCD设计，但又希望试验水平安排不 超过立方体边界，可以将轴向点设置为+1及-1，则 计算机会自动将原CCD缩小到整个立方体内，这种 设计也称为中心复合有界设计(central composite inscribed design,CCI)。
这种设计失去了序贯性，前一次在立方点上已经做 过的试验结果，在后续的CCI设计中不能继续使用。
11
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但有时认为，这样做的试验次数多，代价 太大， Nc其实取2以上也可以；如果中心 点的选取主要是为了估计试验误差， Nc 取4以上也够了。
总之，当时间和资源条件都允许时，应尽 可能按推荐的Nc个数去安排试验，设计结 果和推测出的最佳点都比较可信。实在需 要减少试验次数时，中心点至少也要2-5 次。
输出结果：剔除C× C和B× C后二次多项式回归系数及显著
性检验
Term Coef(coded)
Constant 10.2386
A
-0.5738
B
0.1834
C
0.4555
A*A
-0.6493
B*B
0.5899
A*B
-0.6775
A*C
1.1825
SE Coef 0.3379 0.2641 0.2641 0.2641 0.2558 0.2558 0.3450 0.3450
-1.00000 0.00000 1.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000
-1.68179 1.00000 1.68179
-1.00000 -1.00000
0.00000
B
-1.00000 0.00000 0.00000
-1.00000 1.00000 0.00000 0.00000
DF Seq SS 3 7.789 3 7.789
16 38.597 11 36.057
5 2.540 19 46.385 R-Sq = 16.8%
此值很小说明线 性回归效果不好
Adj SS 7.789 7.789
38.597 36.057
2.540
Adj MS 2.5962 2.5962 2.4123 3.2779 0.5079
基本概念
立方点 轴向点 中心点 区组 序贯试验 旋转性
立方点(cube point)
立方点，也称立方体点、角点，即2水平对 应的“-1”和“+1”点。各点坐标皆为+1或-1。 在k个因素的情况下，共有2k个立方点
轴向点(axial point)
轴向点，又称始点、星号点，分布在轴向上。
6
1 -1 1 0.6 -0.6 0.6 1 -1 1
7
-1 1 1 -0.6 0.6 0.6 -1 1 1
8
1 1 1 0.6 0.6 0.6 1 1 1
9 -1.68 0 0 -1 0 0 -1 0 0
10 1.68 0 0 1 0 0 1 0 0
11
0 -1.68 0 0 -1 0 0 -1 0
F 1.08 1.08
P 0.387 0.387
6.45 0.026
R-Sq(adj) = 1.2%
此值小于0.05时表示线 性回归模型不正确
非线性回归结果
输出结果：二次多项式回归方差分析表
此值小于0.05的项显著有效，回归的整体、二次项和交叉 乘积项都显著有效，但是一次项的效果不显著。
Source Regression
Linear Square Interaction Residual Error Lack-of-Fit Pure Error Total S = 0.9960
DF Seq SS 9 36.465 3 7.789 3 13.386 3 15.291
10 9.920 5 7.380 5 2.540
19 46.385 R-Sq = 78.6%
20
0 0 0 0 0 00 0 0
BB
ABC -1 -1 0 1 -1 0 -1 1 0 110 -1 0 -1 1 0 -1 -1 0 1 101 0 -1 -1 0 1 -1 0 -1 1 011 000 000 000
6.2.4 分析响应曲面设计的一般 步骤
1. 拟合选定模型； 2. 分析模型的有效性：P值、R2及R2(adj)、s值、
12
0 1.68 0 0 1 0 0 1 0
13
0 0 -1.68 0 0 -1 0 0 -1
14
0 0 1.68 0 0 1 0 0 1
15
0 0 0 0 0 00 0 0
16
0 0 0 0 0 00 0 0
17
0 0 0 0 0 00 0 0
18
0 0 0 0 0 00 0 0
19
0 0 0 0 0 00 0 0
适用范围
确信或怀疑因素对指标存在非线性影响； 因素个数2-7个，一般不超过4个； 所有因素均为计量值数据； 试验区域已接近最优区域； 基于2水平的全因子正交试验。
方法分类
中心复合试验设计 (central composite design，CCD)； Box-Behnken试验设计；
2.91 0.133
R-Sq(adj) = 59.4%
此值大于0.05，表示二次多 项式回归模型正确。
输出结果：二次多项式回归系数及显著性检验
对编码值的 回归系数
Term Coef(coded)
Constant 10.4623
A
-0.5738
B
0.1834
C
0.4555
A*A
-0.6764
B*B
0.5628
-1.00000 0.00000 1.00000 0.00000 0.00000
-1.68179 1.68179 0.00000
-1.00000 0.00000 1.00000 1.00000 0.00000
C
1.00000 0.00000 0.00000 1.00000 -1.00000 0.00000 0.00000 -1.00000 0.00000 1.00000 -1.68179 1.68179 0.00000 0.00000 0.00000 -1.00000 0.00000 -1.00000 1.00000 0.00000
CCI
CCF
ABC ABC ABC
1
-1 -1 -1 -0.6 -0.6 -0.6 -1 -1 -1
2
1 -1 -1 0.6 -0.6 -0.6 1 -1 -1
3
-1 1 -1 -0.6 0.6 -0.6 -1 1 -1
4
1 1 -1 0.6 0.6 -0.6 1 1 -1
5
-1 -1 1 -0.6 -0.6 0.6 -1 -1 1
y
8.94 11.02 11.53 10.90
7.71 10.22 10.14 11.28
9.50 11.03
7.98 10.43 12.08 11.06
8.26 8.44 7.87 13.19 11.85 10.53
举例 2 Design Expert实现响应曲面设计
效应面表由以下部分组成：（以三因素为例）
失拟分析、残差图等； 3. 如果模型需要改进，重复1-3步； 4. 对选定模型分析解释：等高线图、曲面图； 5. 求解最佳点的因素水平及最佳值； 6. 进行验证试验。
举例1 用MINITAB实现响应曲面 设计
生成响应曲面设计表
全因子中心 复合试验 （无区组）
1/2实施中
心复合试验 （无区组）
试验 因素数
除一个坐标为+α 或-α 外，其余坐标皆为0。
在k个因素的情况下，共有2k个轴向点。
中心点(center point)
中心点，亦即设计中心，表示在图上，坐标 皆为0。
三因素下的立方点、轴向点和中心点
区组(block)
也叫块。设计包含正交模块，正交模块 可以允许独立评估模型中的各项及模块 影响，并使误差最小化。
T 30.303 -2.173
0.694 1.725 -2.538 2.306 -1.964 3.427
P Coef(uncoded)
0.000 12.6189
0.051
4
0.026 -0.2568
0.040
1.1702
0.073 -0.6001
析因部分
极值点，在坐标轴上的 位置又叫星点 一定数量的中心点重复实验
因素数
析因次数 星点数
标准化 极值
零点重复 次数
总实验数
试验点确定后，进行响应面表设计。
效应面表由以下部分组成：（以三因素为例）
析因部分
极值点，在坐标轴上的 位置又叫星点 一定数量的中心点重复实验
按照实验表的设置，依次做实验，得出Y值， 即响应值
试验总 次数
编码值与实际值
选入A、B、C 三个因素
输入高低水平 的实际值
工作表数据 是编码值
分析响应曲面设计
选择编码值
选择线性回归
线性回归结果
此值大于0.05时表示回
输出结果：线性回归方差分析表
归的效果不显著
Source Regression
Linear Residual Error
Lack-of-Fit Pure Error Total S = 1.553
0.005
0.6951
这两个二次项回归系数有很 小的改变，这是由于旋转设
计只具有近似正交性
指标最优化
目标是 最大值
下限设 为10
目标值 设为20
最优预 测值
因子最优 水平值
例6.2-1 大豆施肥量最优化设计
在研究大豆产量Y的试验中，考虑氮肥A、磷肥B、
钾肥C这三种肥料的施肥量。每个因素取两个基本水平， 采用中心复合试验，其中：
此值较大，说明二次多项 式回归效果比较好。
Adj SS 36.465
7.789 13.386 15.291
9.920 7.380 2.540
Adj MS 4.0517 2.5962 4.4619 5.0970 0.9920 1.4760 0.5079