正交实验结果如何进行数据分析.docx
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正交实验结果如何进行数据分析
正交实验如何数据分析之阿布丰王创作
时间：
二O二一年七月二十九日
我们把在试验中考察的有关影响试验指标的条件称为因素（也叫因子）,把在试验中准备考察的各种因索的分歧状态（或配方）称为水平.在研究比力复杂的工程问题中,往往都包括着多个因素,而且每个因素要取多个水平.
对包括五个因素、五个水平的工程项目,理论计算必需进行55＝3125次试验.显然,所需要的试验次数太多了,工作量太年夜.实践告诉我们,合理安插试验和科学分析试验,是试验工作成败的关键.
试验方案设计的好,试验次数就少,周期也短,这样不单节省了年夜量人力、物力、财力和时间,而且可以获得理想的结果.相反,如果试验设计安插的欠好,即使进行了很屡次试验,浪费了年夜量资料、人力和时间,也纷歧定能够获得预期的结果.
正交试验法,就是在多因素优化试验中,利用数理统计学与正交性原理,从年夜量的试验点中挑选有代表性和典范性的试验点,应用“正交表”科学合理地安插试验,从而用尽量少的试验获得最优的试验结果的一种试验设计方法.
正交试验法也叫正交试验设计法,它是用“正交表”来安插和分析多因素问题试验的一种数理统计方法.这种方法的优点是试验次数少,效果好,方法筒单,使用方便,效率高.
由于试验次数年夜年夜减少,使得试验数据处置非常重要.我们可以从所有的试验数据中找到最优的一个数据,固然,这个数据肯定不是最佳匹配数据,可是肯定是最接近最佳的了.
用正交表安插的试验具有均衡分散和整齐可比的特点.均衡分散,是指用正交表挑选出来的各因素和各水平组合在全部水平组合中的分布是均衡的.整齐可比是说每一因素的各水平间具有可比性.
最简单的正交表L4（23）如表-1所示.
表-1
1
2
3
1
1
1
1
2
1
2
2
3
2
1
2
4
2
2
1
记号L4（23）的含意如下：
“L”代表正交表；
L下角的数字“4”暗示有4横行（简称为行）,即要做四次试验；
括号内的指数“3”暗示有3纵列（简称为列）,即最多允许安插的因素个数是3个；
括号内的数“2”暗示表的主要部份只有2种数字,即因素有两种水平l与2,称之为l水平与2水平.
表L4（23）之所以称为正交表是因为它有两个特点：
1、每一列中,每一因素的每个水平,在试验总次数中呈现的次数相等.表-1里分歧的水平只有两个——1和2,它们在每一列中各呈现2次.
2、任意两个因素列之间,各种水平搭配呈现的有序数列（即左边的数放在前,右边的数放在后,按这一次第排出的数对）时,每种数对呈现的次数相等.
这里有序数对共有四种（1,1）,（1,2）,（2,1）,（2,2）．它们各呈现一次.
罕见的正交表有：
L4（23）,L8（27）,L16（215）,L32（231）,…；L9（34）,L27（313）．．．；L16（45）,…；L25（56）……等.
另外还有混合水平正交表：
各列中呈现的最年夜数字不完全相同的正交表称为混合水平正交表.如L8（41×24）,表中有一列最年夜数字为4,有4列最年夜数字为2.也就是说该表可以安插1个4水平因素和4个2水平因素.
选择正交表的原则,应当是被选用的正交表的因素数与水平数即是或年夜于要进行试验考察的因素数与水平数,而且使试验次数最少.如我们要进行3因素2水平的试验,选用
L4（23）表最理想.可是,要进行5因素2水平的试验仍用L4（23）表,那么便放不下5个因素了.这时,应被选用L8（27）表,这样尽管只用了此表的5个因素列,还有两个因素列是空列,但这其实不影响分析.
对试验结果（数据）的处置分析通常有两种方法,一是直观分析法,又叫极值分析法；另一种方法是方差分析.
表－2
A
B
C
D
结果
（指标）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Ij
Ⅱj
IIIj
Ij／3
IIj／3
IIIj／3
Rj
R1
R2
R3
R4
1．直观分析法：
根据正交表进行试验,可以获得就某
一（单指标,也有多指标）考察指标的试验结果,通过直观分析或方差分析,就可以得出最佳的实验方案.
直观分析试验结果的步伐（以四因素三水平为例）如下,见表－2,根据实验数据分别计算出：
①分别对每次实验各因素的一水平的实验结果求和,即Ij：
再对每次实验各因素的二水平结果求
和,即IIj：
对每次试验各因子的三水平的结果求
和,即IIIj：
②分别求出各因素各水平结果的平均值：
即Ij／3,IIj／3,IIIj／3,并填入正交表中；
③分别求出各因素的平均值的差值（也叫极差）,如果是三个以上水平则要找出平均值最年夜值或最小值之间的差值Rj.
根据极差数Rj的年夜小,可以判断各因素对实验结果的影响年夜小.
判断原则是：
极差愈年夜,所对应的因素愈重要；由此可以确定出主、主要因素的排列顺序.
根据各因素各水平所对应指标结果的平均值的年夜小可以确定各因素取什么水平好.
确定的原则是：
如果要求指标愈小愈好,则取最小的平均值所对应的那个水平；如果要求指标愈年夜愈好,则取最年夜的平均值所对应的那个水平；如果要求指标适中（固定值）,则取适中的平均值所对应的那个水平.
需要说明的是,最优的水平组合其实纷歧定就在由正交实验设计所指定的实验傍边.
所以,根据试验指标的数值要求所确定的各因素的最优水平组合,就可以筛选出最佳的试验方案条件、以及较好的试验方案条件.
对试验结果的直观分析法,除极差分析外.为了更形象直观的得出试验分析结果,我们还可以采纳画趋势图（效应曲线图）的方法,得出正确的综合分析结论.
效应曲线图（因素指标分析）就是要画出各因素水平与指标的关系图,它是一种座标图,它的横座标用各因素的分歧水平暗示；纵座标同为试验指标.其实它就是根据极差分析数据所绘出来的,可以一目了然看出各因素的哪个水平为最优（根据指标的具体数值要求）.
2．方差分析法：
通过试验可以获得一组结果实验数据,这组数据之间一般会存在一定的不同,即使在相同的条件下做几次试验,由于偶然因素的影响,所得的数据数据也不完全相等,这说明实验数据的摆荡不单与实验条件的改变有关,也包括实验误差的影响.
方差分析是用来区分所考察因子的由于水平分歧对应的试验结果的不同是由于水平的改变所引起还是由于试验误差所引起的,以便进一步（在直观分析的基础上）检验哪些因子对结果有影响,哪些没有影响,并区分哪些是影响结果的主要因素,哪些是主要因素.
我们通过一个例子来说明方差分析法的原理和计算方法.
在研究某胶料的过程中,为考察生胶的转动黏度对胶料压缩变形有无显著的影响,进行了试验,其实验结果如表-3所示：
表-3
139
142
147
150
1
2
3
平均值
我们把转动黏度记做因子A,这是单因子4水平的实验,每个水平都进行了3次重复试验,从这组试验数据,如何来判断A因子对压缩变形有无显著性影响呢？
首先从这组数据动身,计算出实验误差引起的数据摆荡及A因子水平的改变所引起的数据摆荡.
可以观察到在A的同一水平下,虽然试验条件没有改变,但所得的试验数据不完全一样,也就是说压缩变形值不完全一样.这是由于试验误差的存在使数据发生了摆荡.例如,A的第一水平下（A1＝139）数据的平均数为：
＝
数据的摆荡值是：
S1=（38.2-35.8）2+（33.3-35.8）2+（36.0-35.8）2
我们称S1为A的第一水平下的偏差平方和.偏差平方和反映了一组实验数据的分散和集中的水平,S年夜标明这组数据分散,S小标明它们集中.
类似地,可以按公式：
SA=
i=1,2,3,4
计算各水平下数据的平均值及偏差平方和：
S2
S3
S4
将各因子A在各水平下的偏差平方和相加,得
S误＝S1+S2+S3+S4=
这完全是由试验误差引起的,它表征了试验误差在这组试验中引起的数据的总摆荡值,我们称S误为试验的偏差平方和.
对因子A,可以注意到A的四个水平下的平均值
也各不相同.这种数据平均值的摆荡不单与试验误差有关,还包括由于A的水平分歧引起的数据摆荡.
A的第一水平下的平均值
＝35.8,这个平均值可取代各个1水平（共3个）对压缩变形的影响,对其它的水平亦可作同样地考虑,记做：
暗示数据的总平均值,则A因子各水平平均值之间的偏差平方和为:
SA=3
它刻划了A水平分歧引起的数据摆荡值,称为因子A的偏差平方和,如果记：
S总＝
2
暗示所有的数据围绕它们的总平均值的摆荡值,则可以证明：
S总＝SA+S误
从数据偏差平方和可见,数据个数多的,偏差平方和就可能年夜.为了消除数据个数的影响,我们采纳平均偏差平方和SA/fA、S误/f误,其中fA和f误分别暗示偏差平方和SA和S误的自由度.
所谓自由度,就是自力的数据的个数.
与偏差平方和一样,自由度也可以分解为：
f总＝fA＋f误
而
f总＝N－1,N为同一水平的总试验次数；
fA＝A的水平数－1；
f误＝f总－fA；
考虑比值：
F比=
若F比近似即是1,标明SA/fA与S误/f误差未几,也就说明因子A的水平改变对指标的影响在误差范围之内,即水平之间无显著不同.
那么,当F比多年夜时,才华说明因子A水平改变对结果有显著影响呢？
这时要查一下F分布临界值表.F分布临界值表列出了各种自由度情况下F比的临界值.在F分布临界值表上横行f1代表F比中分子的自由度fA,竖行f2代表F比中分母的自由度f误.查得的临界值记做F
这里的
是预先给定的显著性水平,若F比
F
我们就有（1－
）的掌控说明因子A的水平改变对结果（指标）有显著性影响,其几何意义见图－1所示.
对我们所讨论的例子,有：
f总＝12－1＝11；
fA＝4-1=3；
f误＝11－3＝8；
把有关数据带入FA的表达式,得：
F比=
=
我们给定显著性水平
＝0.10,从F分布临界值表中查出：
F
由于
F比＝1.08因此我们年夜概有90％的掌控说因子A的水平改变对结果的影响无显著不同,也就是说我们有90％的掌控,说生胶转动黏度水平的改变对压缩变形的影响无显著不同,试验结果所出
现的摆荡就主要是由试验误差造成的（有需要通过改变试验条件来减小试验结果数据的摆荡）.
反之,当F比
F时,我们年夜概有90％的掌控说因子A的水平改变对结果的影响有显著影响.
显著性水平
是指我们对作出的判断年夜概有1－
的掌控.对分歧的显著性水平,有分歧的F分布表,经常使用的有
＝0.01,
三种.
为了区别显著性的水平,当F比>F（f1,f2）时,就说该因子水平的改变对试验结果有高度显著的影响,记做***;
当F（f1,f2）>F比>F（f1,f2）时,就说该因子水平的改变,对试验结果有显著的影响,记做**;
当F（f1,f2）>FA>F（f1,f2）时,就说该因子水平的改变,对试验结果有一定的影响,记做*.
根据是否要考虑两个因素的交互作用,又将双因素方差分析分为双因素重复试验的方差分析和双因素不重复试验的方差分析.
另外还有多因素方差分析,分析方法与此类同,这里不进行讨论.
3．交互作用：
在多因素比较试验中,某些因素对试验指标的影响往往有相互制约、互相联系的现象.
在处置多因素比较试验时,不单需要分别研究各因素水平的改变对试验指标的影响以及每个因素的独自作用,还要考虑它们之间的相互作用.
通常在一个试验里,不单各个因素在起作用,而且因素之间有时会联合起来影响试验的结果指标,这种作用叫做交互作用.
如果因素A的数值和水平发生变动时,试验指标随因素B的变动也发生变动；同样地,若因素B的数值或水平发生变动时,试验指标随因素A变动的变动也发生变动,则称因素A、B间有交互作用,记为A×B.
当任意两元素之间（如A与B）存在交互作用而且显著时,则不论因素A、B自己对指标的影响是否显著,A、B的最佳水平的选取都应从A与B的搭配中去选择.
为了考虑交互作用的影响,一般在选择正交表时,要注意留有一定的空列.
进行方差分析时,当被分析因子对指标的影响不显著时,其原因是试验误差太年夜或误差的自由度小,试验误差有可能掩盖了被考察因素的显著性,使得F检验灵敏度下降.若F检验显著,说明存在交互作用.
如果在处置实际问题时,已经知道不存在交互作用,或已知交互作用对试验的指标影响很小,则可以不考虑交互作用.
主次因素的分析一般通过极差分析就可以得出结论,从效应图可以看得更直观.
对极差分析、方差分析以及交互作用的分析结果必需要根据具体的实际条件（例如资料本钱,时间花费,主次因素,对指标的影响水平等,特别是对复合指标数据考核时）进行综合分析,才华最后得出最佳水平组合.
本实验的设计和计算使用“正交设计助手”软件.
4软件分析法
使用“正交设计助手Ⅱ”进行实验设计.其把持步伐如下：
1．文件\新建工程：
命名该未命名工程；并存储工程;
2．实验\新建实验――》进入设计向导：
（1）实验说明：
填写实验名称和简要叙述及选择标准正交表.对多指标（复合指标）检验实验,可以在同一工程中建立多个实验,实验最佳方案简直定要通过对各实验分析、讨论所得的结论加以综合考虑.
（2）选择正交表；从下拉菜单中选择合适的正交表,考虑到交互作用,需要留有一定的交互项列和空列,两交互项列放在哪一列,要查阅相应正交表的交互作用项安插表（如附件三的“L8（27）交互作用项安插表”）；
（3）“因素与水平”,因素名称输入；水平参数输入,交互项所在列下不需输入水平；
（4）点击本工程,呈现“实验计划表”；输入试验结果（输入数据时请勿在汉字拼音
输入状态下进行）后,并存为“”；
（5）保管工程.
3．分析,执行以下步伐：
（1）直观分析分析；选择“直观分析”,呈现类似表－2的表格,存为“直观分析表.RTF”；
（2）因素指标分析：
选择“因素指标”,发生效应曲线图,存为“”；
（3）方差分析：
先选择“方差分析”,再勾选误差所在的列（一般选取偏差平方和小的因子列和空列）,当分别取
、
及
时,点击“确定”进行分析,并分别存为“方差分析表）.RTF”；
（本软件中,有影响的话一律只标注“*”,究竟是有高度显著影响、有显著的影响或有一般的影响,主要是以
取值而定,讨论显著性时取高不取低—某水平有高度显著性固然有比力显著性和一般显著性.）
（4）交互作用分析；点击“交互作用”,并选择可能发生交互作用的任意两列因素进行分析,并分别对分析表格进行存储（*.RTF）；
4．输出：
将以上各步伐所得图表和表格在WORD中编排后打印输出.
时间：
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