最新响应面优化实验
响应面优化实验方案设计
食品科学研究中实验设计的案例分析——响应面法优化超声辅助提取车前草中的熊果酸班级：学号：姓名：摘要：本文简要介绍了响应面曲线优化法的基本原理和使用步骤，并通过软件Design-Expert 软件演示原文中响应面曲线优化法的操作步骤。
验证原文《响应面法优化超声辅助提取车前草中的熊果酸》各个数据的处理过程，通过数据对比，检验原文数据处理的正确与否。
关键词：响应面优化法数据处理 Design-Expert 车前草前言：响应曲面设计方法(Response SufaceMethodology，RSM)是利用合理的试验设计方法并通过实验得到一定数据，采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数，解决多变量问题的一种统计方法（又称回归设计）。
响应面曲线法的使用条件有：①确信或怀疑因素对指标存在非线性影响；②因素个数2-7个，一般不超过4个；③所有因素均为计量值数据；试验区域已接近最优区域；④基于2水平的全因子正交试验。
进行响应面分析的步骤为：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，因素均为计量值数据；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。
响应面优化法的优点：①考虑了试验随机误差②响应面法将复杂的未知的函数关系在小区域内用简单的一次或二次多项式模型来拟合，计算比较简便，是降低开发成本、优化加工条件、提高产品质量，解决生产过程中的实际问题的一种有效方法③与正交试验相比，其优势是在试验条件寻优过程中，可以连续的对试验的各个水平进行分析，而正交试验只能对一个个孤立的试验点进行分析。
响应面优化法的局限性: 在使用响应面优化法之前，应当确立合理的实验的各因素和水平。
因为响应面优化法的前提是设计的试验点应包括最佳的实验条件，如果试验点的选取不当，实验响应面优化法就不能得到很好的优化结果。
响应面实验设计
响应面实验设计
响应面实验设计是一种统计学方法，用于确定控制因素对响应变量的影响程度，以及找到最佳控制因素组合来优化响应变量。
在响应面实验设计中，首先确定响应变量和可能影响响应变量的因素。
然后，选择适当的实验设计方法，如Box-Behnken
设计或Central Composite设计，来建立实验矩阵。
实验矩阵包括一系列试验条件，每个试验条件都是不同因素水平的组合。
接下来，根据实验矩阵中的试验条件，进行一系列实验并记录响应变量的数值。
通过对实验数据进行统计分析，可以建立响应变量与因素水平之间的数学模型，通常为多项式模型。
这个数学模型可以用来预测响应变量在不同因素水平下的表现。
最后，通过使用响应面优化方法，找到达到最佳响应的控制因素组合。
这可以通过分析响应变量的最大值、最小值、稳定区域等得出。
响应面实验设计可应用于不同领域，如工程、科学和医药等，来优化产品设计、工艺参数等，以提高产品品质和性能。
响应面法在试验设计与优化中的应用
响应面法在试验设计与优化中的应用一、本文概述响应面法是一种广泛应用于试验设计与优化领域的统计方法，它通过构建响应面模型来探究输入变量与输出变量之间的关系，进而实现对系统性能的优化。
本文旨在深入探讨响应面法在试验设计与优化中的应用，详细阐述其原理、实施步骤、优缺点及案例分析，为相关领域的研究人员和实践者提供理论指导和实践参考。
文章首先介绍了响应面法的基本概念和发展历程，然后重点分析了其在实际应用中的操作流程，包括试验设计、模型建立、模型验证和优化求解等步骤。
本文还对响应面法的优缺点进行了详细讨论，并结合具体案例，展示了该方法在不同领域的应用效果。
通过本文的阅读，读者可以全面了解响应面法的原理和应用，为自身的科研工作或实际问题解决提供有益的参考和借鉴。
二、响应面法的基本原理响应面法（Response Surface Methodology, RSM）是一种优化和决策的技术，主要用于探索和解决多变量问题。
该方法通过建立一个描述多个输入变量（或因子）与输出响应之间关系的数学模型，即响应面模型，来预测和优化系统的性能。
响应面法的基本原理主要基于统计学的回归分析和实验设计。
通过精心设计的实验，收集一系列输入变量和对应输出响应的数据。
这些数据用于拟合一个数学模型，该模型能够描述输入变量与输出响应之间的非线性关系。
常见的响应面模型包括多项式模型、高斯模型等。
在拟合模型后，可以通过分析模型的系数和统计显著性来评估输入变量对输出响应的影响。
响应面法还提供了图形化的工具，如响应面图和等高线图，用于直观展示输入变量之间的交互作用以及最优参数区域。
通过最大化或最小化响应面模型，可以找到使输出响应达到最优的输入变量组合。
这些最优解可以用于指导实际生产或研究过程，提高系统的性能和效率。
响应面法的基本原理是通过实验设计和数据分析，建立一个描述输入与输出关系的数学模型，并通过优化模型来找到使输出响应最优的输入变量组合。
这种方法在多变量优化问题中具有广泛的应用价值，尤其在工程、农业、生物、医学等领域中得到了广泛的应用。
响应表面试验设计方法及MINITAB优化(CCD_BBD)
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)。
这样做，每个因素的取值水平只有3个(-1,0,1)，而 一般的CCD设计，因素的水平是5个(-α ,-1,0,1,α ), 这在更换水平较困难的情况下是有意义的。
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
0.8848
0.501 -1.7352
0.110 -2.0904
0.026 -0.2568
0.040
1.1702
0.073 -0.6001
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。
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：
响应面优化法实验流程
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以下是响应面优化法的一般实验流程：1. 确定实验因素和响应变量：需要确定影响实验结果的因素（自变量）和需要优化的响应变量（因变量）。
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。
响应面优化实验
响应面优化实验实验步骤1.输入三因素及其水平,设计响应面实验。
２、应变量3.输入实验数据4.试验方案形成5.实验数据分析利用系统软件SAS8、０对表5实验数据进行二次多项回归拟合,通过RＥSEG(响应面回归)过程进行数据分析，建立二次响应面回归模型,并寻求最优相应因子水平,得到回归方程:Y=2、13６667+0、44６2５X１+0、0４5X2-0、01375X３-0、4４５83Ｘ12-0、1３833X22-０、0908３X32-0、11７5Ｘ1X２＋0、０1５X1Ｘ３－0、07２5X２X3模型得F检验值在α=０、0５时远大于F(9,5）=4、7７，说明方程有很高得显著性。
Ｒ2=0、99７３,表明方程模型与实验数据有9９、73%得符合度,调整后得Ｒ２adj=0、9925,表明方程模型有很高得可信度。
6.正态分布图7.Ｒesｉduaｌs vｓ Prediｃｔeｄ图8.Predｉcｔｅd vs Actuａl 图9.实验实际值与方程预测值10.等高线图11.三维相应曲面图ABAＣBC在获得非线性回归模型与响应面之后,为了求得培养基最佳浓度,对所得得回归拟与方程分别对各自得变量求一阶偏导数，并令其为得到三元一次方程组,求解此方程组可以得到最大多糖量时得最佳条件: X1=0、５066(2、2533%) ,Ｘ2=-0、0488(0、9７56%） , X3＝０、01４4（０、０993%），Y=2、248７g/L。
所以产多糖最高时得培养基组成为:葡萄糖2、2５33%,鱼粉0、97５6%,ＶB1 0、0０3%,NaCｌ０、8%,ＭgSＯ4·7Ｈ2Ｏ0、1%,FeSO4·7H ２O 0、04%,KH2ＰO4 0、0993％，初始ｐH值5、５。
12、用RＳM预测最优值根据最优培养基配方对模型进行验证,香菇菌丝体产粗多糖为2、33g/L,实际值与预测值得误差为+3、６1％。
初始培养基条件下总多糖产量为0、80g/L，优化后提高了１、９１倍。
响应面法优化实验条件
科学的安排试验、处理试验结果，以最少的人力和物
力消费，在最短的时间内取得更多、更好的生产和科 研成果的最有效的技术方法。
实验设计的流程
1.提出问题 2.做出假设 3.设计实验 4.完成实验 5.数据分析 6.得出结论 7.交流讨论
拟定计划 确定分工 准备材料 设计对照
在设计实验 时要考虑用 到的数据分 析方法
29℃ 30℃
69.36 68.21
70.32 69.23
68.93 70.12
69.52 79.02
均值 70.36 69.698 70.98 71.512
均值是真实值的一 个无偏估计，但是直 接用均值去比较大小 是不科学的
4.完成实验：按照设计，在只有温度不同，其他条件都相 同的条件下完成实验。 5.数据分析：
Plackett-Burman
因子
常量 A：L-山梨糖 1.221
实验结果
系数
61.602 0.611
效应
T
65.80 0.65
P
<0.001** 0.526
B：玉米浆
C：KH2PO4 D：尿素 E：MgSO4
9.338
-6.186 -4.846 0.197
4.669
-3.093 -2.423 0.098
Box-Behnken
变异来源 模型 B C D BC 自由度 9 1 1 1 1 平方和 252.34 42.86 85.04 23.5 39.74 均方 28.04 42.86 85.04 23.5 39.74 F 13.63 20.83 41.33 11.42 19.31
p
0.0051** 0.006** 0.0014** 0.0197* 0.0071**
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实验步骤
1.输入三因素及其水平，设计响应面实验。
2. 应变量
3.输入实验数据
4.试验方案形成
5.实验数据分析
利用系统软件SAS8.0对表5实验数据进行二次多项回归拟合，通过RESEG（响应面回归）过程进行数据分析，建立二次响应面回归模型，并寻求最优相应因子水平，得到回归方程：
Y=2.136667+0.44625X1+0.045X2-0.01375X3-0.44583X12-0.13833X22-0.09083X3 2-0.1175X1X2+0.015X1X3-0.0725X2X3
模型的F检验值在α=0.05时远大于F（9,5）=4.77，说明方程有很高的显著性。
R2=0.9973，表明方程模型与实验数据有99.73%的符合度，调整后的R2adj=0.9925，表明方程模型有很高的可信度。
6.正态分布图
7.Residuals vs Predicted 图
8.Predicted vs Actual 图
9.实验实际值和方程预测值
10.等高线图
11.三维相应曲面图
AB
AC
BC
在获得非线性回归模型和响应面之后，为了求得培养基最佳浓度，对所得的回归拟和方程分别对各自的变量求一阶偏导数，并令其为得到三元一次方程组，求解此方程组可以得到最大多糖量时的最佳条件：
X1=0.5066(2.2533%) ，X2=-0.0488(0.9756%) ， X3=0.0144(0.0993%) ，
Y=2.2487g/L。
所以产多糖最高时的培养基组成为：葡萄糖2.2533%，鱼粉0.9756%，VB1 0.003%，NaCl0.8%，MgSO4·7H2O 0.1%，FeSO4·7H2O 0.04%，KH2PO4 0.0993%，初始pH值5.5。
12.用RSM预测最优值
根据最优培养基配方对模型进行验证，香菇菌丝体产粗多糖为2.33g/L，实际值与预测值的误差为+3.61%。
初始培养基条件下总多糖产量为0.80g/L，优化后提高了1.91倍。
该结果表明，响应面法优化产香菇粗多糖最佳培养基是可行有效的。
该研究经响应面方法优化，在优化条件下经3批摇瓶培养实验验证，粗多糖产量均值为2.33g/L与预测值2.2487g/L误差为+3.61%，与原始培养条件相比，多糖产量提高了1.91倍。
实验证明响应面方法对培养基优化是非常有效的工具，Plackett-Burman实验设计能对影响多糖产量的各因素效应进行评价并能有效地找出主要因素，最陡爬坡法能充分接近最大响应面区域，Box-Behnken实验设计能建立主要因素影响多糖产量的二次多项数学模型，并利用统计学方法对该模型进行了显著性检验，优化了内在因素水平，找出最佳值。
八种常见的修辞手法的作用
1.比喻（打比方）:
比喻由三部分构成：本体、喻体、比喻（比喻和拟人最大的不同在于比喻含有喻体，拟人没有。
）关键词有：像、如、仿佛、犹如、似、一样、好比、是、变成···举例:①月亮像玉盘（明喻）
②这里变成了花的海洋。
（暗喻）
③这些可恨的老鼠，拿走了他家全部的钱。
（暗喻）
判断下列是比喻吗？
他的性格像他母亲。
这天黑沉沉的好像要下雨。
作用：①生动形象地写出…事物的…的特点，给人以鲜明的印象
②议论文中，化抽象为具体，使深奥的道理变得浅显易懂。
2.拟人(比拟)：比拟分为拟人和拟物
（1）拟人：把物当做人写，赋予物以人的动作、行为、思想、感情、活动，用描写人的词来描写物。
作用：把禽兽鸟虫花草树木或其他无生命的事物当成人写，使具体事物人格化,生动形象地写出事物…的特点，能使读者对所表达事物产生鲜明的印象。
（2）拟物(借物喻人）：①把人比作物，或把此物当作彼物来写。
②把甲事物当成乙事物来写。
举例：人比作梅花
作用:突出表现人物的某种品质。
举例：春天像个害羞的小姑娘
风儿唱着歌,唤醒了沉睡中的大地
落叶随着风高低起舞
3.借代：一、部分代整体。
即用事物具有代表性的部分代本体事物。
例如：②两岸青山相对出，孤帆一片日边来。
（《望天门山》）
例②用船的一部分“帆”代替船。
二、特征代本体。
即用借体（人或事物）的特征、标志去代替本体事物的名称。
例如：那群红领巾从校门口飞了出来!。