用Minitab做正交试验设计(李娟)教材课件.ppt

1、 品质检测科：李 娟 2014.09.19 关于关于Minitab软件软件 Minitab软件作为世界著名的数据分析软件已有几十软件作为世界著名的数据分析软件已有几十年的开发历史，具有年的开发历史，具有体积小体积小、功能大功能大、操作简单操作简单、易于掌易于掌握握、计算精确计算精确、兼容性好兼容性好等特点，已成为统计领域最为普等特点，已成为统计领域最为普及的软件工具之一，在教育、研究企业管理等各个领域有及的软件工具之一，在教育、研究企业管理等各个领域有着广泛的运用。着广泛的运用。 Minitab软件不仅具有包括数据管理、统计分析、图软件不仅具有包括数据管理、统计分析、图表分析、输出管理等在内的

2、基本统计功能，还有着强大的表分析、输出管理等在内的基本统计功能，还有着强大的实验设计（实验设计（design of experiments,DOE）功能，用正交表）功能，用正交表安排试验方案，以误差因素模拟造成产品质量波动的各种安排试验方案，以误差因素模拟造成产品质量波动的各种干扰，通过对各种实验方案得统计分析，找出抗干扰能力干扰，通过对各种实验方案得统计分析，找出抗干扰能力最强、调整性最好、性能最稳定、可靠的设计方案。所以最强、调整性最好、性能最稳定、可靠的设计方案。所以，这个模块可以完成，这个模块可以完成正交表格设计正交表格设计、数据分析数据分析以及以及结果预结果预测测等。等。 试验设计试

3、验设计 试验设计可分为试验设计可分为单因素单因素问题试验设计与问题试验设计与多因素多因素试验设计。试验设计。 常用的单因素试验设计方法有：常用的单因素试验设计方法有：对分法对分法、0.618 0.618 法法、分数实分数实验法验法等等。等等。 常用的多因素试验设计方法有：常用的多因素试验设计方法有：曲面响应法曲面响应法、全因子试验法全因子试验法、正交试验设计正交试验设计等。其中正交试验设计法是研究与处理多因素实等。其中正交试验设计法是研究与处理多因素实验的一种科学方法。利用规格化的表格验的一种科学方法。利用规格化的表格正交表正交表, ,科学地挑选试科学地挑选试验条件验条件, ,合理安排实验。该

4、方法是在上世纪合理安排实验。该方法是在上世纪50 50 年代由日本质量年代由日本质量管量专家管量专家田口玄一田口玄一提出的，由于其具有提出的，由于其具有均衡分配、整齐可比均衡分配、整齐可比的的特点，特点，所需工作量小所需工作量小，却可得到全面的试验分析结果，因而得，却可得到全面的试验分析结果，因而得到了广泛的应用，称为国际标准型正交试验法，又称为田口设到了广泛的应用，称为国际标准型正交试验法，又称为田口设计。我国于上世纪计。我国于上世纪70 70 年代由数学家张里千教授经过简化得到了年代由数学家张里千教授经过简化得到了中国型正交试验法。两者的主要区别在于中国型采用极差分析中国型正交试验法。两者

5、的主要区别在于中国型采用极差分析的方法对试验结果进行评价，计算量小、简单；田口型采用方的方法对试验结果进行评价，计算量小、简单；田口型采用方差分析的方法，可得到因素间相互影响大小的结论。差分析的方法，可得到因素间相互影响大小的结论。1.食品防腐剂概念：食品防腐剂概念： 能有效防止食品中的微生物生长和繁殖，延能有效防止食品中的微生物生长和繁殖，延长食品货架期的一类合成物质或天然物质，该类长食品货架期的一类合成物质或天然物质，该类物质必须符合食品质量与安全的要求，进行了安物质必须符合食品质量与安全的要求，进行了安全性评估。全性评估。 防腐剂：防腐剂： 在适当的条件下，抑制微生物生长在适当的条件下，

6、抑制微生物生长 杀菌剂：在较短的时间内，杀死微生物。杀菌剂：在较短的时间内，杀死微生物。 【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】作试验研究过程的自变量，常常是造成试验指标按某种规律发生变化的那些原因 例如：y=ax+b【水平】试验中因素所处的具体状态或情况，又称为等级实例实例：某化工厂希望寻找提高产品转化率的生产工艺某化工厂希望寻找提高产品转化率的生产工艺条件。条件。 1）实验目的：提高转化率 2）试验指标：转化率越大越好，这一指标是一个望大特性。 3）因子与水平 经分析影响转化率的影响因素有3个，相对应的水平见表1 4）选用正交表和设计表头）选用正交表和设计表头

7、由于因子均为3水平，故选用三水平正交表，由正交表每列自由度f等于各列的水平数减1，两交互作用的自由度等于两因素的自由度的乘积。则因子与交互作用的自由度之和为：fA+fB+fC =6 据选择正交表的必要条件，其行数n应满足：n6，为了避免表头出现混杂现象，并且尽量保证试验次数尽量少，此例不考虑交互作用，表头设计见表2.5)列出试验设计实验设计可用minitab帮助实现，见图1.图1图2图3图4图56） 试验和记录试验和记录 为了减少或避免事先某些考虑不周及环境条件变化所引起的系统误差常采用试验次序随机化，本实例采用试验编号随机抽签的方法来进行试验，并将试验结果记录于C5中。7）数据分析）数据分析

8、A) 直观分析图6-1图6-2图7 图8 图9 图10“望大、望目、望小”是指你希望你的实验效果参数Y是越大越好，离目标值越近越好还是越小越好。 图图11图12 图13 B）方差分析图14 图15 图16 正交试验方差分析正交试验方差分析 利用方差分析的方法来进一步估计误差的大小，精确估计各因素对实验结果影响的重要性，弥补直观分析法的不足。方差分析结果中，SeqSS表示连续平方和；AdjSS表示校正平方和；AdjMS表示校正均方。其中： P0.01 表示影响极显著 0.01P0.05 表示影响不显著实例实例2 2：响应曲面法优化辣椒拮抗内生菌的发：响应曲面法优化辣椒拮抗内生菌的发酵条件酵条件

9、实验目的实验目的：在单因素试验的基础上：在单因素试验的基础上，运用运用Minitab15Minitab15响应曲面法响应曲面法的中心复合试验设计原理对辣椒拮抗内生菌菌株的中心复合试验设计原理对辣椒拮抗内生菌菌株X X的发酵条件进行优的发酵条件进行优化，以菌株化，以菌株X X对三种病原菌的平均抑制率为指标，优化出抑制率最大对三种病原菌的平均抑制率为指标，优化出抑制率最大的单因素的组合，为提高拮抗内生菌对病原菌的拮抗作用提供一定的的单因素的组合，为提高拮抗内生菌对病原菌的拮抗作用提供一定的基础。基础。 单因素实验单因素实验：选择：选择6 6个因素（个因素（温度温度、pHpH值值、接种量接种量、金属

10、离子金属离子、碳碳源源、氮源氮源）来测定其对辣椒内生拮抗菌）来测定其对辣椒内生拮抗菌X X对病原菌的影响，选出抑制对病原菌的影响，选出抑制率最大的单因素组合工艺参数。其中，对率最大的单因素组合工艺参数。其中，对X X抑制病原菌的最适温度为抑制病原菌的最适温度为2828；最适；最适pHpH值为值为7.07.0；最适接种量为；最适接种量为1%1%；最佳金属离子、碳源、氮；最佳金属离子、碳源、氮源分别为源分别为NaClNaCl、葡萄糖葡萄糖、酵母膏酵母膏。 响应曲面法设计响应曲面法设计：运用：运用Minitab 15Minitab 15数据统计分析软件使用未编码数据统计分析软件使用未编码单位对试验数

11、据进行多元回归拟合分析，设接种量、酵母膏、葡萄糖单位对试验数据进行多元回归拟合分析，设接种量、酵母膏、葡萄糖、NaClNaCl，分别记作，分别记作A A、B B、C C、D D，为，为4 4个自变量，设五个试验水平，分个自变量，设五个试验水平，分别以别以-2-2、-1-1、0 0、l l、2 2进行编码，编码表采取全因子，共进行编码，编码表采取全因子，共3131个实验的个实验的实验设计。实验设计。单因素实验结果单因素实验结果 温度对温度对X X抑制病原菌的影响抑制病原菌的影响pHpH值对值对X X抑制病原菌的影响抑制病原菌的影响接种量对接种量对X X抑制病原菌的影响抑制病原菌的影响金属离子对金

12、属离子对X X抑制病原菌的影响抑制病原菌的影响不同碳源对不同碳源对X X抑制病原菌的影响抑制病原菌的影响不同氮源对不同氮源对X X抑制病原菌的影响抑制病原菌的影响响应曲面法优化辣椒拮抗内生菌响应曲面法优化辣椒拮抗内生菌X X的的发酵条件的结果分析发酵条件的结果分析响应曲面优化辣椒拮抗内生菌响应曲面优化辣椒拮抗内生菌X X的发的发酵条件的结果酵条件的结果 为了验证响应曲面法的可靠性，同时考虑到实际操作的可为了验证响应曲面法的可靠性，同时考虑到实际操作的可行性，将上述单因素组合工艺条件修正为：接种量为行性，将上述单因素组合工艺条件修正为：接种量为0.80%0.80%, ,酵酵母膏为母膏为0.5%0.5%, ,葡萄糖为葡萄糖为2.5%2.5%，NaClNaCl为为0.13%0.13%。