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Design of Experiments（DOE）实验设计

1. 定义和介绍

实验设计(Design of Experiments)或设计实验(Designed Experiments)是一系列试验及分析方法集,通过有目的地改变一个系统的输入来观察输出的改变情况。图1-1 示出一个系统示意图。图1-1 中的系统既可以看作是一个产品开发过程，也可以看作是一个生产过程。对于一个生产过程, 一般它是由一些机器、操作方法和操作人员所组成的,把一种输入原材料转变(加工)成某种输出产品。这种输出产品具有一些可以观察的质量特性,也可叫响应(例如,产量、强度、硬度等)。一些过程参数（X1,X2,......,Xp）是可控的, 例如进给速度、淬火温度等; 而另一些（Z1,Z2,......,Zq）是不可控的, 它们有时被称为噪声参数,例如环境温度、湿度等。

实验设计的目的可能包括:
(1)确定哪些参数对响应的影响最大;
(2)确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使响应达到或尽可能靠近希望值(On target)；
(3)确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使响应的分散度(或方差)尽可能减小。
(4)确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使不可控参数（噪声参数）对响应的影响尽可减小。

因此, 在制造过程的开发以及解决过程中出现的问题中都可以应用实验设计,以改善过程的性能,或者使过程对于外部波动源(干涉)不那么敏感，即得到一个“稳健”(Robust)的过程，同时还可节省时间和降低成本。所以,实验设计对于开发和改善制造过程,提高产品质量是一个非常重要的工程工具。

除此之处,实验设计还可以在新产品开发或现有产品改进中起到很大作用:

(1)评价和比较不同设计方案;

(2)评价代用材料;

(3)确定影响性能的关键产品设计参数(KPC)。在这些领域应用实验设计可以改善产品的制造工艺性、增强服役性能和可靠性、降低产品成本和缩短产品开发周期。

应该指出,实验设计包括的内容很多,有关的著作很厚,例如, Design andanalysis of experiments (Douglas C.Montgomery)有538 页,本课程主要介绍在工业上得到较广泛应用的析因实验法、部分析因实验法(包括所谓正交实验法)——Factorial experiments, Fractional Factorial, and TaguchiMethod。

所以,在本课程中讲的实际上是狭义的实验设计,即析因实验法和部分析因实验法。

2. 问题的提出——用实验的方法改进质量

在工程实践中经常碰到如下问题：

(1)影响产品和产品制造过程性能的可能因素往往很多,如何确定到底哪些因素是最有影响性的?

(2)如何调整这些因素才能获得最佳效果?

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