正交试验设计
试验设计 演示 正交试验设计
正交试验设计什么是正交试验设计？正交试验设计（Orthogonal Experimental Design）是一种多因素、多水平的试验设计方法，通过合理的设计、选择和分析，可以降低实验次数，提高试验效率，从而得到合理和可靠的。
正交试验设计的核心思想是将试验因素进行独立分配，使各个因素之间互不影响，同时尽可能覆盖全面，减少无用次数，以达到有效结果的目的。
正交试验设计的特点1.正交试验设计是一种高效的试验设计方法，它可以在有限的实验次数内，获得更多的信息。
2.正交试验设计可以确定最优的试验方案，在多个因素和多个水平的条件下，合理地选择试验方案。
3.正交试验设计可以分析各个因素之间的交互作用，从而找到最有效的方案。
4.正交试验设计可以避免试验因素之间的干扰，并更好地控制实验误差。
正交试验设计的步骤正交试验设计的步骤包括设计试验因素、确定试验水平和选择正交表等。
1.设计试验因素试验因素是影响试验结果的各个因素，需要仔细考虑，确定确切的试验因素。
2.确定试验水平试验水平是指试验因素的不同取值。
根据试验因素的数量和水平，确定各个因素的取值。
3.选择正交表选择正交表是试验设计的关键步骤，正交表是一种设计合理的表格，可以根据正交表来进行试验设计。
4.进行试验根据确定的试验因素、试验水平和正交表，进行试验，并记录实验结果。
5.分析效果根据试验结果，分析各个因素之间的影响，选择最佳方案，并。
正交试验设计的应用案例正交试验设计可以应用于各个领域的试验设计中，如药物研发、产品设计、面向用户的需求分析等。
以产品设计为例，正交试验设计可以帮助企业确定最佳产品设计方案。
比如，一家公司要设计一款新型手机，可以采用正交试验设计来确定手机的颜色、屏幕大小、拍照像素等因素，以最小的实验次数获得最佳的设计方案。
正交试验设计是一种高效、可靠的试验设计方法，能够在有限的实验次数内获得更多的信息，确定最优的试验方案。
在实际应用中，需要根据具体情况合理选择试验因素和试验水平，并选择合适的正交表进行试验设计。
正交试验设计及结果分析
2.1 试验方案设计 （1） 明确试验目的，确定试验指标
试验设计前必须明确试验目的，即本次试验要解决什么 问题。试验目的确定后，对试验结果如何衡量，即需要确 定出试验指标。试验指标可为定量指标，也可为定性指标。
3
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1.3.2.3 综合可比性 （1）任一列的各水平出现的次数相等； （2）任两列间所有水平组合出现次数相等，使得任一因素
各水平的试验条件相同。这就保证了在每列因素各水平的效 果中，最大限度地排除了其他因素的干扰。从而可以综合比 较该因素不同水平对试验指标的影响情况。
根据以上特性，我们用正交表安排的试验，具有均衡分 散和整齐可比的特点。
3
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在这9个水平组合中，A因素各水平下包括了B、C因素 的3个水平，虽然搭配方式不同，但B、C皆处于同等地位， 当比较A因素不同水平时，B因素不同水平的效应相互抵 消，C因素不同水平的效应也相互抵消。所以A因素3个水 平间具有综合可比性。同样，B、C因素3个水平间亦具有 综合可比性。
3
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如对于上述3因素3水平试验，若不考虑交互作用，可
利用正交表L9(34)安排，试验方案仅包含9个水平组合，就
能反映试验方案包含27个水平组合的全面试验的情况，找 出最佳的生产条件。
1.2 正交试验设计的基本原理
3
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正交设计就是从选优区全面试验点（水平组合）中挑3ຫໍສະໝຸດ 上一张 下一张 主 页 退 出
1 正交试验设计的概念及原理
正交试验设计
4
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表5-1
5
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注：任意两列旳交互作用列为另外两 列
附：正交表L9(34)
试验号
列号
1
2
3
4
1
1
1
1
1
2
1
2
2
2
3
1
3
3
3
4
2
1
2
3
5
2
2
3
1
6
2
3
1
2
7
3
1ห้องสมุดไป่ตู้
3
2
8
3
2
1
3
9
3
3
2
1
6
3
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1.2 正交设计旳基本特点
❖ 用部分试验来替代全方面试验，经过对部分 试验成果旳分析，了解全方面试验旳情况。
❖ 当交互作用存在时，有可能出现交互作用旳 混杂。即忽视了部分交互作用来降低试验次 数。
如对于上述3原因3水平试验，若不考虑交
互作用，可利用正交表L9(34)安排，试验方
代表正交表；
❖ L右下角旳数字“8”表达有8行，用这张正交 表安排试验包括8个处理(水平组合)；
❖ 括号内旳底数“2” 表达原因旳水平数，括 号内2旳指数“7”表达有7列，
❖ 用这张正交表最多能够安排7个2水平原因。 8
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表5-2
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L8(27)二列间交互作用列表
第五章 正交试验设计
正交试验设计方法(详细步骤)
A2
(y5+ y7)/2 =(0.472+0.554)/2=0.513 (y6+ y8)/2 =(0.480+0.552)/2=0.516
阐明：
表头设计中旳“混杂”现象（一列安排多种原因或交互作 用）
高级交互作用 ，如A×B× C，一般不考虑 r水平两原因间旳交互作用要占r－1列 ，当r＞2时，不宜
（1）选正交表
要求： 原因数≤正交表列数 原因水平数与正交表相应旳水平数一致 选较小旳表
选L9(34)
（2）表头设计
将试验原因安排到所选正交表相应旳列中 因不考虑原因间旳交互作用，一种原因占有一列（能够随
机排列） 空白列（空列）：最佳留有至少一种空白列
（3）明确试验方案
（4）按要求旳方案做试验，得出试验成果
（1）等水平正交表： 各原因水平数相等旳正交表 ①记号 ：Ln( r m ) L——正交表代号 n——正交表横行数（试验次数） r——原因水平数 m——正交表纵列数(最多能安排旳因数个数)
②等水平正交表特点
表中任一列，不同旳数字出现旳次数相同 表中任意两列，多种同行数字对（或称水平搭配）出现旳
1 n
(
n i 1
yi )2
QP
n
设： Q yi2 i 1
n
T yi i 1
P
1 n
n
(
i 1
yi )2
T2 n
②各原因引起旳离差平方和
第j列所引起旳离差平方和 ：
SS j
rr (
n i1
Ki2
)
T2 n
rr (
正交试验设计
正交试验设计1. 什么是正交试验设计？正交试验设计（Orthogonal Experimental Design）是一种实验设计方法，旨在通过少量试验点，充分收集实验数据，从而减少实验变量的数量，提高实验效率。
正交试验设计适用于产品工艺改进、优化设计、参数选择以及产品性能分析等场景。
正交试验设计的核心思想是通过合理的设计选择，通过改变实验因素的组合，以及试验点数的把握，实现大量试验数据的获取。
在正交试验设计中，通过选择一组适当的实验因素、水平和试验点数，保证实验结果具有可靠性和有效性。
2. 正交试验设计的原理正交试验设计的原理是通过合理选取试验因素的水平，使得因素之间的影响相互独立，避免因素之间的干扰，以确保实验结果的可靠性和有效性。
正交试验设计使用正交表作为设计工具，正交表是由一组正交矩阵构成的，每个矩阵的行数代表试验因素的水平数，列数代表试验点数。
正交表的特点是每一列中任意两个数字之间都正交，即两个数字的乘积等于零。
这种正交性保证了试验因素之间的独立性，减小了因素之间的相互影响，提高了试验效率。
正交试验设计的步骤如下：1.确定试验目标和要素：明确需要优化的目标和相关的要素。
2.选择正交表和水平数：根据要素和水平数选择合适的正交表。
3.确定试验因素和水平：根据试验目标和要素，确定需要进行试验的因素和每个因素的水平。
4.填写正交表：根据选择的正交表和确定的试验因素水平，将试验因素填写到正交表中。
5.进行试验和收集数据：按照正交表中的设计进行试验，记录实验数据。
6.数据分析和优化：通过对实验数据的分析，得出结论并优化设计。
3. 正交试验设计的优势正交试验设计具有以下几个优势：•提高实验效率：通过合理选择试验因素和水平数，正交试验设计可以通过少量的试验点获取大量的实验数据，提高了实验效率。
•确保实验结果可靠性：正交试验设计通过合理的设计选择，避免了因素之间的干扰，保证了实验结果的可靠性。
•降低实验成本：正交试验设计可以在保证实验效果的前提下，减少试验点的数量，降低实验成本。
正交实验设计
正交实验设计正交实验设计（Orthogonal Experimental Design，简称OED）是一种多因素、多水平、随机化的实验设计方法。
它通过合理安排因素水平组合和样本数目，以最少的试验次数获得最多的信息。
正交实验设计采用一种特殊的表格结构，称为正交表。
正交表的特点是每列中各个因素的水平均匀地分布在每一行上，使得各个因素不会相互影响。
这样的设计能够减少试验误差，提高实验效率。
在正交实验设计中，试验因素是研究的主要关注点。
试验因素可以是产品的不同材料、工艺参数的不同设定等。
每个试验因素都有若干个水平，例如材料可以分为A、B、C三种，工艺参数可以设定为1、2、3三个级别。
正交实验设计的步骤主要包括以下几个方面：1. 确定试验因素：根据研究的目的和问题，确定需要考察的试验因素及其水平。
2. 决定试验水平：根据实际情况，决定每个试验因素的水平数目。
3. 选择合适的正交表：根据试验因素的水平和试验次数，选择合适的正交表。
4. 分配试验条件：根据正交表的分组规则，将试验条件分配给不同的试验组。
5. 进行试验：根据分组结果，按照正交表进行试验。
6. 数据处理与分析：根据试验结果进行数据处理和统计分析，得出结论。
正交实验设计的优点在于能够在尽量少的试验次数下，全面考察多个因素之间的关系。
通过合理设计试验条件，不同因素的影响可以分离出来，减少了试验误差，提高了实验的精度和可靠性。
最后，正交实验设计是一种非常有用和有效的实验设计方法，广泛应用于各个领域的实验研究中。
在进行复杂多因素研究时，可以采用正交实验设计来节约试验成本和时间，提高实验的效率和可靠性。
正交设计
对于单因素或两因素试验，因其因素少 因其因素少，试验的设计、实施 与分析都比较简单 。但在实际工作中 但在实际工作中，常常需要同时考察 3个 或3个以上的试验因素 ，若进行全面试验 若进行全面试验，则试验的规模将很 大，往往因试验条件的限制而难于实施 往往因试验条件的限制而难于实施。正交试验设计就是安 排多因素试验 、寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法 寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法。
7
（3）正交试验的提出： 考虑兼顾全面试验法和简单比较法的优点，利用根据数学原理 考虑兼顾全面试验法和简单比较法的优点 制作好的规格化表“正交表”来设计试验 来设计试验；用正交表来安排试验 及分析试验结果，这种方法叫做正交试验法 这种方法叫做正交试验法；事实上，正交最优 化方法的优点不仅表现在设计上， ，更表现在对结果的处理上。
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3因素3水平的全面试验水平组合数为 3 =27，4因素3水平的全 试验水平组合数为3
4 面试验水平组合数为3 =81 ，5因素 因素3水平的全面试验水平组合数 5 为3 =243，这在科学试验中是有可能做不到的 这在科学试验中是有可能做不到的。
正交设计就是从选优区全面试验点 交设计就是从选优区全面试验点（水平组合）中挑选出有代表性 的部分试验点（水平组合）来进行试验 来进行试验。图中标有试验号的九个
3、正交设计的发展 o 20世纪30年代，费希尔在试验设计方面做出了一系列先驱性 费希尔在试验设计方面做出了一系列先驱性 的贡献。 o 20世纪上半叶，正交设计方法已经在数学界中提出 正交设计方法已经在数学界中提出。 o 到40年代后期，日本统计学家田口玄一博士首次将正交设计 日本统计学家田口玄一博士首次将正交设计 方法应用到日本的电话机试验上。 方法应用到日本的电话机试验上 o 到1970年，日本已经成功使用正交设计方法 日本已经成功使用正交设计方法100万次以上。 o 20世纪70年代以来，我国应用正交设计取得一大批优秀成果 我国应用正交设计取得一大批优秀成果。 中国数学家张里千教授发明了中国型正交试验设计法 中国数学家张里千教授发明了中国型正交试验设计法 。
正交试验设计
正交试验设计正交试验设计是一种常用的多因素试验设计方法，它可以有效地减少试验次数，提高试验效率，节约时间和资源。
正交试验设计适用于多因素作用和相互关系分析，可以帮助研究者快速、准确地了解各因素对结果的影响，并确定最佳因素组合。
本文将详细介绍正交试验设计的基本概念、优势和具体步骤。
正交试验设计的基本概念是对于多因素试验，通过选择一组正交设计矩阵，将各个因素进行组合，使得各因素之间的交叉作用可忽略或者相互平衡。
正交设计矩阵的主要特点是各因素之间两两正交，即彼此独立，相互不影响。
这样可以避免因素个数增加而引起的试验次数急剧增加的问题，提高试验的效率和可靠性。
正交试验设计的优势主要表现在以下几个方面。
首先，它可以较全面地考虑多个因素的相互作用，能够充分发挥各因素的作用，提高试验效果。
其次，正交试验设计能够减少试验次数，节约时间和资源。
通过设计合适的试验方案，可以在较少的试验次数内得到准确的试验结果。
此外，正交试验设计能够更好地发现因素对结果的影响，提供可靠的数据支持，有助于进行因素优化和效果预测。
正交试验设计的具体步骤如下。
首先，确定试验目标和因素。
明确要研究的因素和其水平，以及试验的目标和要求。
其次，确定正交设计矩阵。
根据试验因素的个数和水平，选择合适的正交设计矩阵，确保各个因素之间两两正交。
然后，进行试验的设计和分组。
根据正交设计矩阵，将试验分成几个组别，每个组别都包含所有因素的不同水平组合。
接下来，进行试验的实施。
按照设计和分组的方案进行试验的实施，记录试验数据。
最后，进行数据的分析和结果的解释。
通过对试验数据的统计分析，得出各因素的主效应和交互效应，解释结果，提出结论。
正交试验设计在工程、医学、农业等领域中得到了广泛的应用。
它可以帮助研究者在较短时间内对多个因素进行全面的分析，找到最佳的因素组合，优化工艺和产品设计。
正交试验设计还可以提高研究的可靠性和实用性，为决策提供科学依据。
因此，研究者应该灵活运用正交试验设计方法，充分发挥其优势，提高试验效率和研究水平。
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A1B1C1
A2B1C1
A3B1C1
B3
A1B1C2 A2B1C2
A3B1C2
A1B1C3 A2B1C3
A3B1C3
A1B2C1 A2B2C1
A3B2C1
A1B2C2 A2B2C2
A3B2C2
B2
A1B2C3 A1B3C1 A1B3C2 A1B3C3
A2B2C3 A2B3C1 A2B3C2 A2B3C3
• B：B1＝90Min、B2＝120Min、B3＝150Min
• C：C1＝5%、C2＝6%、C3＝7%
• 正交试验设计中，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。
பைடு நூலகம்
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• 取三因素三水平，通常有两种试验方法：
• （1）全面实验法：
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正交试验设计的基本特点是：用部分试验来代替全面试 验，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况。
正因为正交试验是用部分试验来代替全面试验的，它不 可能像全面试验那样对各因素效应、交互作用一一分析；当 交互作用存在时，有可能出现交互作用的混杂。虽然正交试 验设计有上述不足，但它能通过部分试验找到最优水平组合 ，因 而 很 受实际工作者青睐。
（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。
（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。
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1 正交试验设计的概念及原理
1.1 正交试验设计的基本概念
正交试验设计是利用正交表来安排与分析多因素试验的一 种设计方法。它是由试验因素的全部水平组合中，挑选部分有 代表性的水平组合进行试验的，通过对这部分试验结果的分析 了解全面试验的情况，找出最优的水平组合。
少 ，试验的设计 、实施与分析都比较简单
。但在实际工作中 ，常常需要同时考察 3个
或3个以上的试验因素 ，若进行全面试验 ，
则试验的规模将很大 ，往往因试验条件的
限制而难于实施 。正交试验设计就是安排
多因素试验 、寻求最优水平组合 的一种高
效率试验设计方法。
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例1：某化工厂为了提高产品的产率，根据具体 情况和经验决定用正交表安排实验，所需控制的 条件如下：
因素A反应温度：A1＝80℃、A2＝85℃、A3＝90℃ 因素B反应时间：B1＝90min、B2＝120min、
B3＝150min 因素C碱用量：C1＝5%、C2＝6%、C3＝7%
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• 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℃
几个术语 试验指标：作为试验研究过程的因变量，常为试
验结果特征的量。 因素：作为试验研究过程的自变量，常常是造成
试验指标按照某种规律发生变化的那些原因。 水平：试验中因素所处的具体状态或情况，又称
为等级。
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问题的提出——多因素的试验问题
•
对于单因素或两因素试验，因其因素
用正交试验法安排试验只需要9次试验
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1.3 正交表及其基本性质
• 正交表的正交性（以L9 (34 )为例）
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• 等水平正交表符号的意义
正交表的代号
L8(27)
正交表的纵列数 （最多允许安排因素的个数）
字码数（因素的水平数） 正交表的横行数
本章主要内容
· 多因素试验问题、正交试验、正交表符号的意义。 · 因素、水平、自由度、试验指标、交互作用。均衡分散 性、整齐可比性、自由度选表原则、表头设计。 · 正交表的特点、用正交表安排试验及结果分析。正交试 验的步骤。
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2020/4/3
问题的提出——多因素的试验问题
A3B2C3 A3B3C1 A3B3C2 A3B3C3
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。
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• 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 • 缺点：(1)试验次数太多，费时、费事，当因素水平比较多时
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1.4 正交表的类别
等水平正交表 各列水平数相同的正交表称为等水平正交表
。如L4(23)、L8(27)、L12(211)等各列中的水平为2，称为2水平正 交表；L9(34)、L27(313)等各列水平为3，称为3水平正交表。
，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。
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简单比较法法：
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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。
9个试验点在选 优区中分布是均 衡的，在立方体 的每个平面上 ，都恰是3个试 验点；在立方体 的每条线上也恰 有一个试验点
3 9
B3
6
2
B2
1
B1A1
5 8
4
A2
7
C
3 C
2 A3C1
(1)A1B1C1 (2) A1B2C2 (3) A1B3C3 (4) A2B1C2 (5)A2B2C3 (6) A2B3C1 (7) A3B1C3 (8) A3B2C1 (9)A3B3C2
（需要进行的试验次数）
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混合水平正交表符号的意义
L 8（41×24）
2水平列的列数为4 4水平列的列数为1 实验的次数
正交表的代号
L8（41×24）常简写为L8（4×24）。此混合水平正交表含有1 个4水平列，4个2水平列，共有1＋4＝5列。
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• 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。
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1.2 正交试验设计的基本原理