實驗設計 (DOE) 被定義為應用統(tǒng)計學的一個分支，它涉及規(guī)劃、實施、分析和解釋受控測試，以評估控制一個參數(shù)或一組參數(shù)值的因素。DOE 是一種強大的數(shù)據(jù)收集和分析工具，可用于多種實驗情況。
它允許操縱多個輸入因素，確定它們對所需輸出（響應）的影響。通過同時操縱多個輸入，DOE 可以識別在一次試驗一個因素時可能遺漏的重要交互作用?？梢匝芯克锌赡艿慕M合（全階乘）或僅研究部分可能的組合（部分階乘）。
一個有策略地計劃和執(zhí)行的實驗可以提供大量關于一個或多個因素對響應變量的影響的信息。許多實驗涉及保持某些因素不變并改變另一個變量的水平。然而，與同時改變因素水平相比，這種“一次一個因素”（OFAT）過程知識方法效率低下。
當前設計實驗的許多統(tǒng)計方法 都源自 RA Fisher 在 20 世紀早期的工作。Fisher 展示了在嘗試實驗之前花時間認真考慮實驗的設計和執(zhí)行如何幫助避免在分析中經(jīng)常遇到的問題。創(chuàng)建設計實驗的關鍵概念包括分塊、隨機化和復制。
- 區(qū)組：當隨機化一個因素不可能或成本太高時，區(qū)組允許您通過使用一種因素設置執(zhí)行所有試驗然后使用另一種設置進行所有試驗來限制隨機化。
- 隨機化：指執(zhí)行實驗的試驗順序。隨機序列有助于消除未知或不受控制變量的影響。
- 復制：重復完整的實驗處理，包括設置。
執(zhí)行良好的實驗可以為以下問題提供答案：
- 過程中的關鍵因素是什么？
- 該過程在什么設置下會提供可接受的性能？
- 過程中的關鍵、主要和交互作用是什么？
- 哪些設置會減少輸出的變化？
鼓勵采用重復的方法來獲取知識，通常涉及以下連續(xù)步驟：
- 縮小評估變量范圍的篩選設計。
- “全因子”設計研究每個因子組合和因子水平的響應，并嘗試劃分過程接近優(yōu)化的值區(qū)域。
- 設計用于對響應建模的響應曲面。
何時使用 DOE
當懷疑有多個輸入因素影響輸出時，使用 DOE。例如，可能需要了解溫度和壓力對膠粘強度的影響。
DOE 還可用于確認可疑的輸入/輸出關系，并開發(fā)適用于執(zhí)行假設分析的預測方程。
實驗模板和例子的設計
設置 DOE 從流程圖開始。ASQ 已創(chuàng)建 可免費下載和使用的實驗設計模板(Excel)。通過三個步驟開始您的 DOE：
- 全面了解所調查的輸入和輸出。流程圖 或流程圖可能會有幫助。必要時咨詢主題專家。
- 確定輸出的適當度量?？勺兇胧┦强扇〉?。應避免屬性測量（通過/失?。?。確保測量系統(tǒng)穩(wěn)定且可重復。
-
為正在調查的因素創(chuàng)建設計矩陣 。設計矩陣將顯示每個輸入因素的高水平和低水平的所有可能組合。這些高電平和低電平可以編碼為+1 和-1。例如，一個 2 因子試驗將需要 4 次試驗運行：
| 輸入水平 | 輸入 B 電平 | |
| 實驗 #1 | -1 | -1 |
| 實驗#2 | -1 | +1 |
| 實驗#3 | +1 | -1 |
| 實驗#4 | +1 | +1 |
注意：所需的實驗運行次數(shù)可以使用公式 2 n計算，其中 n 是因子數(shù)。
對于每個輸入，確定您希望調查的極端（但現(xiàn)實的）高電平和低電平。在某些情況下，極端水平可能會超出當前使用的水平。所選擇的極端水平應該是現(xiàn)實的，而不是荒謬的。例如：
| -1級 | +1 級 | |
| 溫度 | 100度 | 200度 |
| 壓力 | 50磅 | 100磅 |
將實驗的因素和水平輸入到設計矩陣中。執(zhí)行每個實驗并記錄結果。例如：
| 溫度 | 壓力 | 力量 | |
| 實驗 #1 | 100度 | 50磅 | 21磅 |
| 實驗#2 | 100度 | 100磅 | 42磅 |
| 實驗#3 | 200度 | 50磅 | 51磅 |
| 實驗#4 | 200度 | 100磅 | 57磅 |
通過對在低級別收集的數(shù)據(jù)進行平均并從在高級別收集的數(shù)據(jù)的平均值中減去它來計算一個因素的影響。例如：
溫度對強度的影響：
(51 + 57)/2 - (21 + 42)/2 = 22.5 lbs
壓力對強度的影響：
(42 + 57)/2 - (21 + 51)/2 = 13.5 lbs
兩個因素之間的相互作用可以用同樣的方式計算。首先，必須修改設計矩陣以顯示交互的高低級別。水平的計算方法是將作用于交互作用的輸入因子的編碼水平相乘。例如：
| 輸入水平 | 輸入 B 電平 | 相互作用 | |
| 實驗 #1 | -1 | -1 | +1 |
| 實驗#2 | -1 | +1 | -1 |
| 實驗#3 | +1 | -1 | -1 |
| 實驗#4 | +1 | +1 | +1 |
像以前一樣計算交互作用的效果。相互作用對強度的影響：(21 + 57)/2 - (42 + 51)/2 = -7.5 lbs
實驗數(shù)據(jù)可以繪制在 3D 條形圖中。實驗設計：3D 條形圖
每個因素的影響都可以繪制在帕累托圖中。實驗設計：帕累托圖
當壓力設置為 50 psi 且溫度設置為 100 度時，相互作用的負面影響最為明顯。將溫度保持在 200 度將避免相互作用的負面影響，并有助于確保牢固的粘合力。
