优化试验设计与数据分析(课件).ppt

1、School of Microelectronicsand Solid-State Electronics1试验设计方法试验设计方法课程综述课程综述2电子科技大学微电子与固体电子学院n新产品、新工艺、新材料、新品种及其他科研成果产生流程多次反复试验多次反复试验试验数据分析试验数据分析规律研究规律研究提高产量提高产量提高产品性能提高产品性能降低成本能耗降低成本能耗科研成果产生流程科研成果产生流程2023-1-823电子科技大学微电子与固体电子学院sh yn实验实验已知某个结论去验证已知方法的操作验证性实验和试验实验和试验sh yn试验试验未知某个结论去探索未知方法的探索探索性科研工作的必要手段科

2、研工作的必要手段试验试验2023-1-834电子科技大学微电子与固体电子学院1980s 美国引进田口方法1920s193519491980s1935 “Design of Experiments”试验设计成为应用技术科学193040s 英、美、苏用于工业1940s末 美国Deming传播SED至日本1949 日本Genichi Taguechi(田口玄一)以SED为基础建立“正交试验设计”法1952 应用L27(313)于日本东海电报公司19521962 应用100万项，1/3成效明显19551970 日本借此推行全面质量管理1920s Fisher用于田间试验Statistical Expe

3、riment Design1920s Tippett将SED用于棉纺19242012试验设计方法起源试验设计方法起源2023-1-845电子科技大学微电子与固体电子学院197819701948华罗庚19101985方开泰 1940王元 1930我国试验设计方法发展我国试验设计方法发展2023-1-856电子科技大学微电子与固体电子学院n试验设计方法是一项通用技术，是当代科技和工程技术人员必须掌握的技术方法。n试验设计方法是自然科学研究方法论领域中的一个成熟分支学科。n让本科生掌握试验设计的基本原理，近代最常用的正交试验设计方法的原理及其应用方法，可以用在以后研究过程中。课程性质与任务课程性质与

4、任务2023-1-867电子科技大学微电子与固体电子学院n试验设计方法是国内外许多重点大学化学、化工、电子、机械、材料包括管理等类专业的专业技术基础课程。n试验设计的目的是使要我们用科学的方法去安排试验，懂得如何处理得到的试验结果，以最少的人力和物力消耗，在最短的时间内取得更多、更好的生产和科研成果的技术方法。课程性质与任务课程性质与任务2023-1-878电子科技大学微电子与固体电子学院（1）试验：首先要明确试验的目的和要求；其次是合理选择试验考察的指标和影响因素（即因子）；最后确定试验中影响因素的具体条件（即因子的水平）。（2）设计：根据因子及因子的水平，确定试验方案；决定试验的顺序，试验

5、的方法，测量的点数以及重复的次数等。试验设计一般分三个阶段：试验设计一般分三个阶段：2023-1-889电子科技大学微电子与固体电子学院（3）分析：对试验所得到的数据进行整理，制成易于计算的表格，建立假设，计算分析用的各种统计量；确定显著性水平进行检验，得出结论。概率论与数理统计概率论与数理统计2023-1-8910电子科技大学微电子与固体电子学院n什么叫做优化试验设计方法？l把数学上优化理论、技术应用于试验设计中，科学的安排试验、处理试验结果的方法。l采用科学的方法去安排试验，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。n数理统计l现

6、有数据的分析什么叫做优化试验设计方法什么叫做优化试验设计方法2023-1-81011电子科技大学微电子与固体电子学院n优化试验设计在科学研究中的地位与意义：l1.试验设计方法是一项通用技术，是当代科技和工程技术人员必须掌握的技术方法。l2.科学地安排实验，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。简称为：多、快、好、省。试验设计试验实施数据整理数据分析试验研究试验研究2023-1-81112电子科技大学微电子与固体电子学院n如何进行科学合理的试验设计l优良的试验方案l遵循试验设计基本原则，控制试验误差l简单计算获取有价值试验规律l试验研究结果可推广和重复如何进行科学

7、合理的试验设计如何进行科学合理的试验设计2023-1-81213电子科技大学微电子与固体电子学院试验设计的意义试验设计的意义n应用数理统计学的基本知识，讨论如何合理地安排试验、取得数据，然后进行综合科学分析，从而尽快获得最优组合方案。在工程学领域是改进制造过程性能的非常重要的手段。在开发新工序中亦有着广泛的应用。n在开发的早期应用试验设计方法能得出以下成果1.提高产量；2.减少变异性，与额定值或目标值更为一致；3.减少开发时间；4.减少总成本；2023-1-81314电子科技大学微电子与固体电子学院因素对指标影响规律因素对指标影响大小因素间是否相互影响优选最佳条件，估计指标值估计和控制试验误差

8、试验设计试验设计解决的问题解决的问题2023-1-81415电子科技大学微电子与固体电子学院问题问题1 1：有12个外表一致的小球，其中11个的质量都是10克，另一个要重一些(但仅凭手感无法分辨)，给定一个没有砝码的天平，请你设计一个试验方案，把这个重一点的小球挑出来。什么是试验设计？什么是试验设计？2023-1-81516电子科技大学微电子与固体电子学院方案一：方案一：先把两个球放到天平两边的盘中，如果不平衡，则较重一边的小球就是要找的；如果平衡，就把其中一个球(哪个都行)作为标准，用它称量其它球，与它不同的就是我们要找的。这种方法在最糟糕的情况下，可能需要10次称量才能完成任务。把12个球

9、平均分成六组，把同组的两个球分放在天平两边，如果不平衡，则较重一边的小球就是要找的。这种方法在最糟糕的情况下，需要称量6次。方案二：方案二：2023-1-81617电子科技大学微电子与固体电子学院方案三：方案三：n12个球平均分成3组(每组4个)，先把其中两组分别放到天平两边。如果平衡，则重一点的球一定在剩余一组中；如果不平衡，那么较重一边的四个球当中就一定有我们要找的那个球。n可见，只称量一次，就排除了8个球。下面可以按照方法(二)中的办法，最多再需两次就可以完成任务。n这种方法最多只需要称量3次。不难看出，试验是需要设计的，如果试验方案选择的好，试验次数就可以减少。2023-1-81718

10、电子科技大学微电子与固体电子学院问题问题2 2：洗衣服一般分为洗涤和漂洗两个阶段。假设衣服洗涤并拧干以后还残留含有污物的水1千克，用20千克清水来漂洗。比较下面四个方法哪一个能洗得更干净一些？什么是试验设计？什么是试验设计？方案方案1：一次漂洗，用：一次漂洗，用20千克水千克水方案方案2：分两次漂洗，第一次用：分两次漂洗，第一次用5千克水，第二次用千克水，第二次用15千克水千克水方案方案3：分两次漂洗，第一次用：分两次漂洗，第一次用15千克水，第二次用千克水，第二次用5千克水千克水方案方案4：分两次漂洗，第一次用：分两次漂洗，第一次用10千克水，第二次用千克水，第二次用10千克水千克水2023

11、-1-81819电子科技大学微电子与固体电子学院方案1一次漂洗n把衣服一下子放到20千克清水中，连同衣服上那1千克污水，一共21千克水。污物均匀分布在这21千克水里。拧“干”后，衣服上还有1千克水，所以污物残存量是原来的121。常见试验方案设计常见试验方案设计方案2、3二次漂洗n若把20千克水分两次用，比如第一次用5千克，第二次用15千克，同理可得污物残存量是原来的196。方案4二次漂洗n再比如第一次用10千克水，第二次用10千克水，污物残存量则是原来的11212023-1-81920电子科技大学微电子与固体电子学院方案A全面实施方案n优点：是一定可以找到所有搭配中最优的方案。n缺点：试验次数

12、过多。特别是在因素数目较多、水平取的较多的情况下，即使想这样做可能也办不到。常见试验方案设计常见试验方案设计方案B逐个因素寻找法n这个方案的优点是减少了试验次数。不过，这种方法的缺点也是显而易见的。n不一定能找到最优的组合。2023-1-82021电子科技大学微电子与固体电子学院21一次一因素法一次一因素法变动一个因素变动一个因素,固定其他因素的方法固定其他因素的方法。这种方法常因因素之间存在这种方法常因因素之间存在交互作用交互作用,而水平又未固定的适宜搭配关系而水平又未固定的适宜搭配关系,致使致使试验需反复多次试验需反复多次,试验周期长。试验周期长。2023-1-822电子科技大学微电子与固

13、体电子学院磨矿细度磨矿细度捕收剂用量捕收剂用量抑制剂用量抑制剂用量活化剂用量活化剂用量调整剂用量调整剂用量浮选温度浮选温度浮浮选选试试验验因因素素浮选浓度浮选浓度搅拌强度搅拌强度搅拌浓度搅拌浓度搅拌时间搅拌时间浮选时间浮选时间考查因素较多的科学实验考查因素较多的科学实验2023-1-82223电子科技大学微电子与固体电子学院Y=f(x)试验是一个或一系列有目的有目的地改变流程或系统的输入变量输入变量以观察识别输出应变量输出应变量随之改变的实验。Douglas C.Montgomery那些自变量X显著的影响着Y?这些自变量X取什么值时将会使Y达到最佳值?试验试验2023-1-82324电子科技大

14、学微电子与固体电子学院噪音输入变量噪音输入变量(连续连续)可控输入变量可控输入变量流程流程关键流程关键流程输出指标输出指标噪音输入变量噪音输入变量(离散离散)?流程或系统的一般模型流程或系统的一般模型2023-1-82425电子科技大学微电子与固体电子学院n确定 l那些输入对输出影响最大(确定关键输入变量)l什么样的输入设置能产生理想的输出结果l怎样设置影响最大的输入水平以减少输出变量的变化范围l怎样设置可控输入水平使得不能控制的输入变量对输出的影响减到最小n找出定义流程的公式(y=f(x)以优化流程试验的目的试验的目的2023-1-82526电子科技大学微电子与固体电子学院n因子因子(可控因

15、子,非可控因子)Xn水平水平:为了研究因子对响应的影响,需要用到因子的两个或更多的不同的取值,这些取值称为因子的水平(level)或设置(Setting).n处理或试验处理或试验:按照设定因子水平的组合,我们就能进行一次试验,可以获得一次响应变量的观测值,也可以称为一次“试验”(trial,experimental run),也称为“一次运行”(run).n试验单元试验单元(experiment unit):对象,材料或制品等载体,处理(试验)应用其上的最小单位n试验环境试验环境:以已知或未知的方式影响试验结果的周围环境n模型模型:可控因子(X1,X2,Xn),响应变量(Y),f 某个确定的函

16、数关系nY=f(X1,X2,X3,.Xk)+Error(误差)n主效应主效应:某因子处于不同水平时响应变量的差异n交互效应交互效应:如果因子A的效应依赖于因子B所处的水平时,我们称A与B之间有交互作用.nOFAT法法（One-Factor-At-a-Time)：在各因子的变化范围每次改变一个因子的水平以选定各因子的最佳水平。试验设计中的基本术语试验设计中的基本术语2023-1-82627电子科技大学微电子与固体电子学院n重复试验重复试验(replication)一个处理施加于多个试验单元。我们一定要进行不同单元的重复(replicate)，而不能仅进行同单元的重复(repetition):要重

17、做试验，而不能仅重复观测或重复取样。n随机化随机化(randomization)：用完全随机的方式安排各次试验的顺序和或所用的试验单元。防止那些试验者未知的但可能会对响应变量产生的某种系统的影响。n划分区组划分区组(blocking)：按照某种方式把各个试验单元区分成组，每组内保证差异较小，使他们具有同质齐性(homogeneous)，则我们可以在很大程度上消除由于较大试验误差所带来的分析上的不利影响。如果分区组有效，则这种方法在分析时，可以将区组内与区组间的差异分离出来，这样就能大大减少可能存在的未知变量的系统影响。n能划分区组者则划分区组，不能划分区组者则随机化。nBlock what y

18、ou can and randomize what you cannot试验设计的基本原则试验设计的基本原则2023-1-82728电子科技大学微电子与固体电子学院n打一轮高尔夫球的输出变量是什么?l分数,越低越好(击球及推杆数少)n可控制的输入变量是什么?l球及球杆的类型l带着球杆步行或开车运送l玩球时喝掉的啤酒瓶数n不可控制的输入变量是什么?l击球的前后一致性l天气 风,雨,太阳,温度?设想打高尔夫球是一个试验设想打高尔夫球是一个试验2023-1-82829电子科技大学微电子与固体电子学院n工业界最常用n程序l选择“最佳估计”的因子组合nPing 牌球杆,Titleist 牌球,开车,四瓶

19、啤酒l进行一次试验(打一轮)l输出结果与预期值比较 (分数:94 不太好)l如结果不理想,将其中一个因子的水平改变 重新试验l如需要重复试验n缺点l如第一次估计错误,需要更多次试验 低效率且时间长l如第一次估计可以接受,试验会停止下来,“最佳”方案可能永远找不到“最佳猜测最佳猜测”法法2023-1-82930电子科技大学微电子与固体电子学院n常用于对所研究流程了解有限的情况n程序l选择一个因子水平的组合作基线l在各因子的变化范围每次改变一个因子的水平l选定各因子的最佳水平n对啤酒及走或开车的组合:?TransBeersRideWalk0484.585.586.587.588.5Score_2M

20、ain Effects Plot-Data Means for Score_2OFATOFAT法法 每次一个因子每次一个因子(One-Factor-At-a-Time)(One-Factor-At-a-Time)2023-1-83031电子科技大学微电子与固体电子学院n主要缺点 OFAT 未能考虑交互作用l交互作用 在另一个因子的不同水平,一个因子产生的效果不相同n另一个缺点lOFAT 总是比统计学试验设计效率差RideWalk40929190898887868584BeersTransMeanInteraction Plot-Data Means for Score_2OFATOFAT的缺点

21、的缺点2023-1-83132电子科技大学微电子与固体电子学院n处理多个因子的正确方法是进行因子因子 试验l即Factorial experiment designn因子试验l各因子一起改变其水平而不是一次一个l试验设计是进行一整套试验且所有试验完成后才进行分析解决方案解决方案-因子试验设计因子试验设计2023-1-83233电子科技大学微电子与固体电子学院n考虑高球例子的两个因子:啤酒和开车n一个因子试验会设置如下:l各因子在另一个因子的各水平改变其水平n如加上第三个因子,球的类型(Titleist 或Pinnacle),设计会变成:车啤酒wr04车啤酒wr04球TPT?因子试验因子试验 实例实例2023-1-833342023-1-835