第五篇-单因素实验设计及实验因素水平确定方法解读

实验因素与水平
主 要 内 容
实验因素与水平
单因素优选法
实验因素与水平
因素：在实验中，影响试验考核指标的量称为因素。 水平：水平是试验中各因素的不同取值。
一般用“+”，“-”号或1，2，3…来表示因 素的不同水平。当因素只有高低两个水平时， 用“+”号代表高，“-”号代表水平。当因素 有3个以上水平时，用1，2，3来依次表示从低 到高的水平，在同一试验表中，只能出现同类 符号，而不可混用。
影响较小的因素，对试验指标影响规律已完全掌握的因素，
应当少选或不选，但要作为可控的条件因素参加试验。 （4）在初步筛选因素时，可以考虑多安排一些因素。
因
素
在试验设计时，试验因素（输入变量）有两种，一种是在试 验时我们可以人为进行控制的可控因素；一种是人为无法控
制的噪声（随机）因素。
可控因素是在试验过程中我们可以设置和保持其在一个希望 的水平上的因子，它应具有以下特征： 1 、根据经验和以往数据可以确信其对指标 Y 有重要影响。 2、在试验过程中可以比较容易地进行人为改变。
f(x) f(x)
a b 图2-1 连续单调
a
b 图2-2 间断单调
2
平分法
每次选取因素所在试验范围（a, b）的中点处C做试验。 （a+b) 计算公式： C =————— 2 a c × 根据试验结果，如下次试验 在高处（取值大些），就把 此试验点（中点）以下的一 半范围划去；如下次试验在 低处（取值小些），就把此 试验点（中点）以上的一半 范围划去。 （c+b) d = ————— 2 b
可控因子对Y的影响愈大，则潜在的改善机会愈大。
因
素
噪声因素是试验过程中可使试验结果发生偏差，且无法对 其进行控制的因子。它具有以下特征： 1、使试验结果偏离目标。 2、无法或很难人为控制。 当试验中存在噪声因素时，有两种方法可以进行改善。
1 、首先确认此因素对指标 Y的影响程度，如影响大，则须对
其进行中和（即直接控制或降低其对Y的影响）。
2、通过重复精确试验来确定可控因素的最佳水平，当可控因 素的水平足够好时，即可得到可靠的设计（对噪声因素不敏感）。
可控因素
噪声因素
水平的选取
（ 1 ）水平有两种：量的变化 （数量因素）和质的变化 （质量因素）。 （ 2 ）数量因素水平水平范围要足够宽，否则就可出现缩 小甚至抵削变量影响，同时也看不出因素间交互作用对输 出的影响。 （ 3 ）水平设置也不可过宽，否则同样可能缩小此因素的 影响，或将其它因素的影响掩盖掉。过宽还可能超出允许 操作范围，造成意外损失。一般要求3个以上。 （ 4 ）依据：专业知识、以往的研究结论、经验教训；最 重要的是在阅读文献基础上结合自身实际情况选择。
水
平
确定实验因素： 在对实验背景、实验条件、实验预期结果充分了 解的基础上结合自身研究内容、现实条件、预期效果 确定实验因素。方法：大量阅读文献及总结。 确定实验因素水平： 文献结合实际！参考单因素优选法！
单因素优选法
优选法就是根据生产和科研中的不同问题，利用数学
原理，合理地安排试验点，减少试验次数，迅速地找
d ★ ×
每试验一次，试验范围缩 小一半，重复做下去，直 到找出满意的试验点为止。
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
黄金分割法（0.618法）
• 本方法是在试验范围［a, b］内，首先安排两个试验 点，再根据两点试验结果，留下好点，去掉不好点所 在的一段范围，再在余下的范围内寻找好点，去掉不 好的点，如此继续地作下去，直到找到最优点为止。 • 黄金分割 ：

5 1 2
0.6180339887
3
黄金分割法（0.618法）
• 0.618法要求试验结果目标函数f(x)是单峰函 数，即在试验范围内只有一个最优点 d，其效 果f(d)最好，比 d 大或小的点都差，且距最 优点 d 越远的试验效果越差。
3
黄金分割法（0.618法）
• 设x1 和x2 是因素范围［a,b］内的任意两个试点，C 点为问题的最优点，并把两个试点中效果较好的点称 由 为好点，把效果较差的点称为差点。则：最优点与好 来 点必在差点同侧，因而我们把因素范围被差点所分成 的两部分中好点所在的那部分称为存优范围。即可以 去掉不包含好点的一段，只留下存优范围。
到最佳点的一类科学方法。 优选法可以解决那些试验指标与因素间不能用数学形
式表达，或虽有表达式但很复杂的那些问题。
假定f(x)是定义在区间[a，b]上的函数，但f(x)的表 达式是并不知道的，只有从试验中才能得出在某一点 x0的数值f(x0)。应用单因素优选法，就是用尽量少的 试验次数来确定f(x)的最佳点。
★
1
均分法
使用范围： • 这种方法的特点是对所试验的范围进行“普查”，常 常应用于对目标函数的性质没有掌握或很少掌握的情 况。即假设目标函数是任意的情况，其试验精度取决 于试验点数目的多少。
2
平分法
• 适用于试验范围(a,b)内，目标函数为单调（连续或 间断）的情况下，求最优点的方法。
• 前提是有一个具体指标作为标准。
单因素优选法
均分法
平分法 黄金分割法
分数法
抛物线法 分批试验法
1
均分法
在试验范围[a, b]内，根据精度要求和实际情况，均
匀地排开试验点，在每一个试验点上进行试验，并相
互比较，以求得最优点。 作法：如试验范围L＝b－a，试验点间隔为N，则试验 点n为(包含两个端点)：
n L ba 1 1 N N
实际中一般试验 设计的因素水平 均取2或3水平。
因素的选取
（ 1 ）选择依据：专业知识、以往的研究结论、经验教训；
最重要的是在阅读文献基础上结合自身实际情况选择。
（ 2 ）一般原则：尽可能全面地考虑到影响试验指标的各 个因素，根据实验要求和尽量少选因素 （ 3 ）首先选对试验指标影响大的因素、尚未完全掌握其 规律的因素和未曾被考察研究过的因素。那些对试验指标
1
均分法
例2-1 对采用新钢种的某零件进行磨削加工，砂轮转速范 围为420转/分~720转/分，拟经过试验找出能使光洁度最佳 的砂轮转速值。
N = 30 转/分 b-a 720 - 420 n = ———— + 1 = —————— +1 = 11 N 30 试验转速：
420，450，480，510，540，570，600，630，660，690，720