優(yōu)化試驗設(shè)計方法及數(shù)據(jù)分析

前言

優(yōu)化試驗設(shè)計方法是自然科學(xué)研究方法論領(lǐng)域中的一個分支學(xué)科，它是一項通用技術(shù)，主要應(yīng)用于提高試驗效率、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、改進(jìn)工藝技術(shù)、強化質(zhì)量管理等方面，是國內(nèi)外許多重點大學(xué)的化學(xué)、化工、電子、機械、材料、生物、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)及管理等類專業(yè)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)和工程技術(shù)人員必須掌握的技術(shù)方法。試驗設(shè)計技術(shù)最早是由英國人費歇爾(RAFisher)等人帶頭發(fā)展起來的，并首先應(yīng)用在農(nóng)業(yè)田間試驗中。第二次世界大戰(zhàn)后，其基本技術(shù)被引進(jìn)到日本，發(fā)展為質(zhì)量管理的主要方法之一。以田口玄一教授為首的一批研究工作者，開發(fā)了各種正交表的應(yīng)用技巧和分析方法，使費歇爾用于農(nóng)業(yè)試驗的方法獲得了改造和刷新。新的正交試驗設(shè)計技術(shù)由于具有試驗結(jié)果重復(fù)性好、可靠性高、適用面寬、試驗次數(shù)少、配置容易、分析簡便等優(yōu)點而得到普及，成為質(zhì)量管理的重要工具。我國在此領(lǐng)域起步較晚，由我國著名數(shù)學(xué)家華羅庚教授于20世紀(jì)70年代初，向全國推廣應(yīng)用優(yōu)化試驗設(shè)計方法的一個分支——優(yōu)選法。在此之前，此方法雖然也在生產(chǎn)上應(yīng)用，但并沒有引起廣泛的重視。到了20世紀(jì)70年代中期，優(yōu)選法已在全國各行各業(yè)取得了巨大的成果，效果十分顯著，多用在化工、電子、材料、建工、建材、石油、冶金、機械、交通、電力、水利、紡織、醫(yī)療衛(wèi)生、輕工、食品等方面。不僅如此，問題的類型也在逐漸增多，有配方配比的選擇，生產(chǎn)工藝條件的選擇，工程設(shè)計參數(shù)的確定，儀器、儀表的調(diào)試以及近似計算等。隨著優(yōu)選法的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，優(yōu)選法的理論及方法必將日趨完善。而近期發(fā)展起來的優(yōu)化試驗設(shè)計方法如正交試驗法、回歸分析法、正交多項式回歸法、均勻設(shè)計法、單純形法等，應(yīng)用范圍更加廣泛，更為有效，本書對這些方法都將做詳盡的論述。本書作者從1989年起編寫了《優(yōu)化試驗設(shè)計方法》（約30萬字）講義，用于大學(xué)化學(xué)及材料專業(yè)高年級學(xué)生及研究生的教材；1994年，由何為主編，電子科技大學(xué)出版社出版了《優(yōu)化實驗設(shè)計法及其在化學(xué)中的應(yīng)用》（32萬字）一書；2004年，何為教授再版了《優(yōu)化實驗設(shè)計法及其在化學(xué)中的應(yīng)用》（共62萬字），第二版中補充了已在發(fā)達(dá)國家成功使用的新的試驗設(shè)計方法——因子設(shè)計方法、三次設(shè)計法、穩(wěn)定性設(shè)計和可靠性設(shè)計法等內(nèi)容。本教材編寫的宗旨是保持并發(fā)揚原有特色，面向21世紀(jì)寫出具有改革創(chuàng)新、貼近科研和生產(chǎn)實際的、有實用價值的教材。全書共分14章，即在原教材《優(yōu)化試驗設(shè)計法及其在化學(xué)中的應(yīng)用》第二版的基礎(chǔ)上，增加了“響應(yīng)曲面試驗設(shè)計”和“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析中的軟件應(yīng)用”兩章，刪除了“鮑威爾優(yōu)化法及應(yīng)用”一章，并對全書內(nèi)容進(jìn)行了修改與更新，補充編者在科學(xué)研究中，應(yīng)用優(yōu)化試驗設(shè)計方法取得科研成果的成功案例，力求保持教材的科學(xué)性、先進(jìn)性和實用性。為了便于教學(xué)，每章增加了內(nèi)容提要和習(xí)題，還提供了與本書配套的多媒體教學(xué)課件，從客觀上保證了教學(xué)質(zhì)量。本書第1、2、3、9、10章由何為教授編寫，第6、7、8章由薛衛(wèi)東教授編寫，第4、5、11、14章由唐斌副教授編寫，第12、13章及附錄由周國云博士編寫。全書由何為教授、薛衛(wèi)東教授修改、整理定稿。重慶大學(xué)張勝濤教授對全書進(jìn)行了審定，在此深表謝意。在編寫本書的過程中，參考了國內(nèi)外的書籍和資料（主要書目列于書末的參考文獻(xiàn)），引用了其中的一些內(nèi)容和實例，在此對所有的作者表示誠摯的感謝。對于書中存在的錯誤和不妥之處，懇請讀者提出寶貴意見。編者

內(nèi)容概要

　　本書介紹了目前在國內(nèi)外最常用、最有效的幾種優(yōu)化試驗設(shè)計方法與數(shù)據(jù)分析的基本原理及其在化學(xué)、材料、機械、電子、質(zhì)量管理等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用。內(nèi)容包括正交試驗法、優(yōu)選法基礎(chǔ)、因子設(shè)計法、一元和回歸分析方法、正交多項式回歸、均勻設(shè)計法、單純形優(yōu)化法、三次設(shè)計、穩(wěn)定性設(shè)計、響應(yīng)曲面試驗設(shè)計及應(yīng)用分析軟件在數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用等。著重介紹方法的原理、應(yīng)用范圍、優(yōu)缺點以及如何將這些方法應(yīng)用到科研和生產(chǎn)實際中，如何運用優(yōu)化試驗設(shè)計方法設(shè)計解決科研和生產(chǎn)實際問題的試驗方案、如何設(shè)置試驗參數(shù)，如何分析試驗數(shù)據(jù)、如何估計試驗誤差、如何對試驗的結(jié)果進(jìn)行評價。
　　本書可作為高等院校高年級學(xué)生及研究生的教材，對從事科研和生產(chǎn)的科研人員及工程技術(shù)人員也是一部好的參考書。

作者簡介

何為，電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系系主任，教授、博導(dǎo)。四川省高級職稱評定委員會化學(xué)學(xué)科專家組成員。自1987年起一直承擔(dān)“試驗設(shè)計方法”等本科和研究生課程，具有豐富的教學(xué)經(jīng)驗及工業(yè)應(yīng)用及科研經(jīng)歷。曾在化學(xué)工業(yè)出版社、機械工業(yè)出版社和電子科技大學(xué)出版社出版過多本優(yōu)秀教材和參考書。

書籍目錄

第1章　正交試驗基本方法
　1.1問題的提出——多因素的試驗問題
　1.2用正交表安排試驗
　1.2.1指標(biāo)、因素和水平
　1.2.2正交表符號的意義
　1.2.3正交表的正交性
　1.2.4用正交表安排試驗
　1.3正交試驗的結(jié)果分析——極差分析法
　1.4有交互作用的正交試驗
　1.4.1交互作用
　1.4.2關(guān)于自由度和正交表的選用原則
　1.4.3有交互作用的正交試驗及結(jié)果分析
　習(xí)題
第2章　正交試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析法——方差分析法
　2.1試驗數(shù)據(jù)構(gòu)造模型
　2.1.1單因素試驗方差分析的數(shù)學(xué)模型
　2.1.2正交試驗方差分析的數(shù)學(xué)模型
　2.2正交試驗的方差分析法
　2.2.1方差分析的必要性
　2.2.2單因素方差分析法
　2.2.3正交試驗的方差分析
　2.3有重復(fù)試驗的方差分析
　2.4缺落數(shù)據(jù)的彌補
　2.4.1試驗有重復(fù)的情況
　2.4.2一種處理的數(shù)據(jù)完全缺落的情況
　習(xí)題
第3章　多指標(biāo)問題及正交表在試驗設(shè)計中的靈活運用
　3.1多指標(biāo)問題的處理方法
　3.1.1綜合評分法
　3.1.2綜合平衡法
　3.2水平數(shù)不同的正交表的使用
　3.2.1直接套用混合正交表
　3.2.2并列法
　3.2.3擬水平法
　3.2.4混合水平有交互作用的正交設(shè)計
　3.3活動水平與組合因素法
　3.3.1活動水平法
　3.3.2組合因素法
　3.4分割試驗法
　3.5部分追加法試驗設(shè)計
　習(xí)題
第4章　Ltu(tq)型正交表的構(gòu)造
　4.1概述
　4.2二水平正交表的構(gòu)造
　4.2.1二水平運算法則
　4.2.2正交表與交互作用列表的構(gòu)造
　4.3三水平正交表的構(gòu)造
　4.3.1三水平運算規(guī)則
　4.3.2正交表與交互作用列表的構(gòu)造
　4.4Ltu(tq)型表的一般構(gòu)造方法
　4.4.1t水平的運算
　4.4.2正交表與交互作用列表的構(gòu)造
　習(xí)題
第5章　2k和3k因子設(shè)計
　5.1因子設(shè)計的一般概念
　5.22k因子設(shè)計
　5.2.122設(shè)計
　5.2.223設(shè)計
　5.2.3一般的2k設(shè)計
　5.2.42k設(shè)計的單次重復(fù)
　5.33k因子設(shè)計
　5.3.132設(shè)計
　5.3.233設(shè)計
　5.3.3一般的3k設(shè)計
　習(xí)題
第6章　優(yōu)選法基礎(chǔ)
　6.1概述
　6.1.1優(yōu)選法的基本步驟
　6.1.2優(yōu)選法的分類
　6.2單因素優(yōu)選法
　6.2.1平分法
　6.2.2黃金分割法（0.618）
　6.2.3分?jǐn)?shù)法
　6.3多因素方法——降維法
　6.3.1等高線法
　6.3.2縱橫對折法
　6.3.3平行線法
　習(xí)題
第7章　回歸分析方法
　7.1一元線性回歸
　7.1.1回歸分析法概述
　7.1.2一元線性回歸方程的確定
　7.1.3預(yù)報和控制
　7.1.4應(yīng)用舉例
　7.1.5化非線性回歸為線性回歸
　7.2多元回歸分析方法
　習(xí)題
第8章　正交多項式回歸設(shè)計
　8.1概述
　8.2正交多項式回歸
　8.3正交多項式回歸設(shè)計和回歸方程的建立
　8.3.1回歸方程的建立
　8.3.2最優(yōu)回歸
　8.3.3回歸方程的精度
　8.3.4考慮交互效應(yīng)的正交多項式回歸
　8.4正交拉丁多元回歸設(shè)計
　8.4.1拉丁方與正交拉丁方
　8.4.2正交拉丁方試驗與正交表設(shè)計試驗
　8.4.3正交拉丁方試驗的分析
　8.4.4正交拉丁方多元回歸設(shè)計
　習(xí)題
第9章　均勻設(shè)計法
　9.1正交設(shè)計與均勻設(shè)計
　9.2均勻設(shè)計表
　9.2.1等水平均勻設(shè)計表
　9.2.2混合水平均勻設(shè)計表
　9.3均勻設(shè)計基本步驟
　9.4試驗結(jié)果的回歸分析法
　習(xí)題
第10章　單純形優(yōu)化法
　10.1概述
　10.2基本單純形
　10.2.1雙因素基本單純形法
　10.2.2新試驗點的計算方法
　10.2.3多因素基本單純形法
　10.2.4p、g的計算
　10.2.5小結(jié)
　10.2.6特殊方法
　10.3改進(jìn)單純形法
　10.4加權(quán)形心法
　10.5控制加權(quán)形心法
　10.6單純形優(yōu)化的參數(shù)選擇
　10.6.1試驗指標(biāo)
　10.6.2初始單純形的構(gòu)成
　10.6.3單純形的收斂
　習(xí)題
第11章　響應(yīng)曲面試驗設(shè)計
　11.1響應(yīng)曲面法的基本原理
　11.2一階響應(yīng)曲面設(shè)計方法
　11.2.1自然變量到規(guī)范變量的編碼變換
　11.2.2一階響應(yīng)曲面的正交設(shè)計
　11.2.3最速上升法
　11.3二次響應(yīng)曲面的設(shè)計與分析
　11.3.1二階響應(yīng)曲面的中心復(fù)合設(shè)計
　11.3.2二階響應(yīng)曲面的Box?Behnken設(shè)計
　11.4基于多元正交多項式的響應(yīng)曲面設(shè)計
　習(xí)題
第12章　三次設(shè)計
　12.1三次設(shè)計概述
　12.1.1三次設(shè)計的定義
　12.1.2系統(tǒng)設(shè)計概述
　12.1.3參數(shù)設(shè)計概述
　12.1.4容差設(shè)計概述
　12.2質(zhì)量損失函數(shù)及容差設(shè)計
　12.2.1成本相同的假定
　12.2.2質(zhì)量損失函數(shù)及其近似表達(dá)式
　12.2.3機能界限與出廠公差
　12.2.4容差設(shè)計
　12.3依信噪SN比直接擇優(yōu)
　12.3.1望小特性質(zhì)量損失函數(shù)及SN比
　12.3.2望大特性質(zhì)量損失函數(shù)及SN比
　12.4依偏差均方直接擇優(yōu)
　12.4.1并聯(lián)反饋偏置電路介紹
　12.4.2并聯(lián)反饋偏置電路的系統(tǒng)設(shè)計
　12.4.3參數(shù)擇優(yōu)設(shè)計
　習(xí)題
第13章　穩(wěn)定性擇優(yōu)設(shè)計
　13.1穩(wěn)定性擇優(yōu)的基礎(chǔ)知識
　13.1.1內(nèi)干擾、外干擾和誤差波動
　13.1.2穩(wěn)定性擇優(yōu)概述
　13.1.3穩(wěn)定性評價指標(biāo)
　13.1.4容差設(shè)計和調(diào)整系統(tǒng)偏差中用到的公式
　13.2依偏差均方的穩(wěn)定性擇優(yōu)設(shè)計
　13.2.1系統(tǒng)設(shè)計
　13.2.2參數(shù)設(shè)計
　13.2.3容差設(shè)計
　13.2.4其他
　13.3依信噪SN比的穩(wěn)定性擇優(yōu)設(shè)計
　13.3.1系統(tǒng)設(shè)計——問題的提出
　13.3.2參數(shù)設(shè)計
　13.3.3容差設(shè)計
　習(xí)題
第14章　試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析中的軟件應(yīng)用
　14.1正交助手在正交設(shè)計統(tǒng)計分析中的應(yīng)用
　14.2DPS在優(yōu)化試驗設(shè)計方法中的應(yīng)用
　14.3SPSS在均勻試驗設(shè)計統(tǒng)計分析中的應(yīng)用
　14.4Design?Expert在響應(yīng)曲面設(shè)計中的應(yīng)用
　14.5Minitab在試驗設(shè)計數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用
　14.5.1有交互作用的正交試驗的方差分析
　14.5.2均勻設(shè)計法的多元非線性回歸分析
　習(xí)題
附錄
　附錄1常用正交表
　附錄2標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表
　附錄3F分布表
　附錄4t分布表
　附錄5均勻設(shè)計表
　附錄6正交多項式表
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：（2）試驗順序L9（34）表說明了應(yīng)做試驗的次序，但進(jìn)行試驗時不一定按表上的號碼排列，而是用抽簽等辦法來決定。這樣做的目的是減少試驗中由于先后不均勻帶來的誤差干擾。但對有些試驗，其次序卻不宜隨便變更。（3）因素水平隨機化每個因素的水平并不一定總是由小到大（或由大到?。╉樞蚺帕?。按正交表安排試驗，必有一次所有的“1”水平相碰在一起，而這種極端的情況有時是不希望出現(xiàn)的，或者說有時它沒有多大的實際意義.那么究竟如何安排水平才更為妥當(dāng)呢，常用的一種方法叫隨機化，即對部分因素水平做隨機化排列。如果我們希望某一特殊水平的組合出現(xiàn)時，水平的排列不隨機化也是可以的。（4）根據(jù)試驗要求選用L表選擇正交表除考慮因素水平外，還與試驗對精度的要求有關(guān)。若試驗精度要求高，可取試驗次數(shù)多的L表；試驗精度要求不高的，可取試驗次數(shù)少的L表；當(dāng)分析的交互作用多，宜選用大的L表，以避免出現(xiàn)混雜；已知交互作用少的，則選小的L表。（例1-2）在化學(xué)分析中，要考慮發(fā)色溫度、試劑甲的用量、萃取溶劑體積、發(fā)色時間和試劑乙的用量這五個因素對試驗指標(biāo)y的影響，y越大越好，希望找到最適合工藝條件。

編輯推薦

《優(yōu)化試驗設(shè)計方法及數(shù)據(jù)分析》是作者在其2004年出版的《優(yōu)化實驗設(shè)計法及其在化學(xué)中的應(yīng)用》（第二版）的基礎(chǔ)上進(jìn)行更新并延伸的，是經(jīng)過近20年錘煉打造而成的高效學(xué)習(xí)優(yōu)化實驗方法的優(yōu)秀教材和必備參考書。《優(yōu)化試驗設(shè)計方法及數(shù)據(jù)分析》有如下特點：1.側(cè)重優(yōu)化試驗設(shè)計方法的應(yīng)用，略去了詳細(xì)的數(shù)學(xué)理論，著重介紹方法的原理、應(yīng)用范圍、優(yōu)缺點以及如何將這些方法應(yīng)用到科研和生產(chǎn)實際中。2.匯集了大量編者在科學(xué)研究和生產(chǎn)實際中，應(yīng)用優(yōu)化試驗設(shè)計方法取得科研成果的成功案例；收集了國外優(yōu)化試驗設(shè)計方法及數(shù)據(jù)分析方面大量的最新資料。3.每章都配有習(xí)題，以指導(dǎo)讀者深入地進(jìn)行學(xué)習(xí)4.為了方便教學(xué)，還提供了與本書配套的多媒體教學(xué)課件。

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