分析全因子设计

根据已有试验记录,估计因子效应和交互作用。

指南 · 试验设计(DOE) · 阅读约需 5 分钟

应用命令、工作表标识符和示例数据值保留原文。截图、图表和下载文件均为英文。

示例: 包装袋封口强度

22 次独立封口试验:八种两水平组合在两个试验日中各进行一次,每天另有三次中心点试验。一个区组对应一个试验日;保持区组列的分配,使模型计入日期差异。

下载已记录的测量值(CSV)

此已记录示例与 Help 中使用的示例相同。CSV 包含因子设置和实测响应,应一并导入。在 Help 中使用 Open example in a practice copy,可预先填入设置。

1. 创建工作空间

在侧边栏中打开 Design of Experiments,创建一项分析。为其命名,选择 New blank worksheet,然后选择 Create analysis。

2. 导入测量值

下载上方的示例 CSV 并导入工作表。分隔符选择 Comma,小数分隔符选择 Dot,并选中 First row contains column names。确保每一行的响应、因子设置、点类型和执行顺序保持对应。

3. 选择研究并输入因子

在 Inputs 中,将 Task 设为 Analyze existing worksheet,将 Design family 设为 Full factorial。

在 Factors 下,使用 Add factor 或删除行,使因子数为 3。保持以下顺序,并将各因子的 Type 设为 Numeric。

按下表输入 Factor name、Unit、Low 和 High。

因子因子名称单位低水平高水平
Ajaw_temperature_c°C150170
Bdwell_time_ss0.81.2
Cjaw_pressure_mpaMPa0.250.35

将 Numeric levels, optional 留空。

4. 分配输入列

在 Response mappings 下,逐一打开列选择器,选择对应的工作表列。

工作表列输入字段
jaw_temperature_cFactor jaw_temperature_c
dwell_time_sFactor dwell_time_s
jaw_pressure_mpaFactor jaw_pressure_mpa

将 seal_strength_n_per_15mm 分配给 Response 1,并在 Number of responses 中输入 1。将 run_order 分配给 Execution order,将 point_type 分配给 Center point indicator。对于 Center point column convention,选择 Point type (center / factorial / fractional / star / axial / edge / edge_midpoint)。

将 block 分配给 Block,使模型保留对两个试验日的调整。

5. 设置模型和图表

在 Model 下,将 Model terms 设为 Default hierarchical model,在 Confidence level (%) 中输入 95。选中 Include center-point adjustment in model。保持 Calculate predictions 未选中。

打开 Plot options。选中 Effect estimates 和 Residual diagnostics。保持 Response contours 未选中。Pareto view、Effect probability plot、Interaction plot 和 3D surface 也保持未选中。

Design of Experiments: 输入信息,包含示例的列分配和设置
英文 Inputs 页面,显示已记录研究的列映射、因子边界、模型、置信水平和图表选项。 查看原尺寸图片 (在新标签页中打开)

6. 分析工作表

选择 Analyze worksheet,然后打开 Results。此操作对已记录的测量值拟合模型,不会生成新的运行计划或将其随机化。

7. 解读结果

  1. 从已记录的运行入手

    全部 22 次封口试验均已纳入分析。八种低/高水平组合在两个试验日中各进行一次,每天有三次中心点试验。模型对这两个试验日作了调整。每个响应都是独立制作的封口的实测强度。

  2. 检查模型是否遗漏规律

    在调整项 ANOVA 中查看失拟项。其 p 值为 0.9725,因此此检验在 5% 水平下未发现模型遗漏的规律。这并不能证明模型正确。日期效应的 p = 0.01595;比较设置时应保留区组调整。

  3. 解读效应

    温度的拟合效应(高水平减低水平)最大,约为每 15 mm 增加 +5.97 N。保压时间的效应约为 +3.99,压力约为 +1.25。温度 × 保压时间的交互作用约为 +2.65;温度 × 压力约为 −1.51。交互作用表示一个因子的效应会随另一因子的设置而变化。这些主效应并非在所有组合下都保持不变。

    效应估计(英文图表)
    英文原始图表:拟合效应(高水平减低水平)及其 95% 置信区间。 查看原尺寸图表 (在新标签页中打开)
  4. 解读一个残差

    残差是实测响应减去拟合值。第 11 次运行的实测值为每 15 mm 23.87 N,模型拟合值为 22.55,仍有约 +1.32 未被解释。这是绝对值最大的原始残差。在图中检查是否存在曲线规律、离散程度变化或异常点。

    残差与拟合值(英文图表)
    英文原始图表:残差相对于响应拟合值的分布,残差单位为 N per 15 mm。 查看原尺寸图表 (在新标签页中打开)
  5. 检查运行顺序

    横轴按已记录的执行顺序排列。检查残差是否存在漂移、周期或突变。出现规律可能提示模型未计入试验过程中的某项变化,但此图无法确定其原因。

    残差与运行顺序(英文图表)
    英文原始图表:按已记录执行顺序排列的残差,单位为 N per 15 mm。 查看原尺寸图表 (在新标签页中打开)
  6. 选择验证运行

    检查异常运行的记录,并结合交互作用和日期调整比较各设置组合。对有前景且可行的设置,制作新的独立封口进行验证。仅凭最大的主效应,无法确定最佳操作参数组合。

更多详情:阅读各结果部分

完整结果表采用六位有效数字,与 Help 中一致。

模型概览

分析运行数为 22,缺失运行数为 0。DF 表示模型和残差误差可用的信息量。S 是残差标准差,单位为 N per 15 mm。R² 描述模型对这些运行中变差的拟合程度;调整 R² 考虑了模型规模。PRESS 和预测 R² 的说明见“预测和系数详情”。较高的 R² 并不能证明模型适用。应结合失拟检验和残差图进行判断。

模型概览 · 12 行
统计量数值
响应seal_strength_n_per_15mm
已分析的试验次数22
缺失响应数0
模型秩9
残差自由度13
S0.565919
R²0.983747
调整 R²0.973744
PRESS9.07951
预测 R²0.964555
置信水平0.95
可进行失拟检验是

调整项 ANOVA

来源列标明模型项或误差分量。类型列区分调整项检验、总计及误差分解。DF 为自由度;SS 为平方和;MS 为 SS 除以 DF。F 将变差与其误差估计进行比较;p 值衡量反对所检验原假设的证据。依赖单个效应之前,应先查看失拟检验。破折号表示该统计量不适用。

调整项 ANOVA · 13 行
来源类型DFSSMSFp 值
jaw_temperature_c调整后1142.325142.325444.3981.95327e-11
dwell_time_s调整后163.600663.6006198.5882.97481e-9
jaw_pressure_mpa调整后16.20016.200119.35930.000717766
jaw_temperature_c × dwell_time_s调整后128.03728.03787.54333.87092e-7
jaw_temperature_c × jaw_pressure_mpa调整后19.12049.120428.47770.000135106
dwell_time_s × jaw_pressure_mpa调整后10.2450250.2450250.765070.397618
区组调整后12.455572.455577.667310.0159483
中心点调整后10.009503030.009503030.02967240.865888
模型摘要8251.99331.499198.35352.27367e-10
误差摘要134.163440.320265——
总计摘要21256.15712.1979——
纯误差分解42.787130.696783——
失拟分解91.376310.1529230.219470.972452

系数

项列标明编码后的模型项。估计值为拟合系数;SE 衡量不确定性;t 和 p 值用于检验系数是否为零。置信区间下限和上限给出其 95% 区间的边界。数值因子的低水平、中点和高水平分别编码为 −1、0 和 +1。存在交互作用项或平方项时,主效应系数无法描述所有设置下的变化。

系数 · 9 行
项估计值SEtp 值置信区间下限(CI)置信区间上限(CI)
截距22.9350.14148162.1087.05502e-2322.629423.2406
jaw_temperature_c2.98250.1414821.08071.95327e-112.676853.28815
dwell_time_s1.993750.1414814.09212.97481e-91.68812.2994
jaw_pressure_mpa0.62250.141484.399920.0007177660.3168510.928149
jaw_temperature_c × dwell_time_s1.323750.141489.356463.87092e-71.01811.6294
jaw_temperature_c × jaw_pressure_mpa-0.7550.14148-5.336450.000135106-1.06065-0.449351
dwell_time_s × jaw_pressure_mpa0.123750.141480.8746830.397618-0.1818990.429399
区组 · 对比 1-0.3340910.120654-2.768990.0159483-0.594749-0.0734329
中心点-0.04666670.270913-0.1722570.865888-0.6319390.538606

因子效应

效应为拟合的高水平减低水平对比。SE 衡量不确定性,置信区间下限和上限给出其 95% 区间。标准化效应为效应绝对值除以其 SE。交互作用表示一个因子的效应会随另一因子的设置而变化。

因子效应 · 6 行
项效应SE置信区间下限(CI)置信区间上限(CI)标准化效应
jaw_temperature_c5.9650.282965.35376.576321.0807
dwell_time_s3.98750.282963.37624.598814.0921
jaw_pressure_mpa1.2450.282960.6337031.85634.39992
jaw_temperature_c × dwell_time_s2.64750.282962.03623.25889.35646
jaw_temperature_c × jaw_pressure_mpa-1.510.28296-2.1213-0.8987035.33645
dwell_time_s × jaw_pressure_mpa0.24750.28296-0.3637970.8587970.874683

逐行诊断

行 ID 标识工作表中的行;运行顺序表明其在试验序列中的位置。状态说明该行是否纳入分析。观测值是实测值;拟合值是模型给出的值;残差为观测值减去拟合值。标准化残差根据残差变差和杠杆值作了调整。杠杆值衡量模型输入的特殊程度。此处显示全部已记录行。更改或排除异常行之前,应先调查。

逐行诊断 · 22 行
行 ID运行顺序状态观测值拟合值残差标准化残差杠杆值
help-doe-getting-started-11已分析18.7218.7872-0.0671591-0.1650390.482955
help-doe-getting-started-22已分析28.3828.9097-0.529659-1.30160.482955
help-doe-getting-started-33已分析17.8217.69470.1253410.3080170.482955
help-doe-getting-started-44已分析22.5322.5542-0.0242424-0.04826050.212121
help-doe-getting-started-55已分析22.0922.5222-0.432159-1.0620.482955
help-doe-getting-started-66已分析21.8922.5542-0.664242-1.322340.212121
help-doe-getting-started-77已分析21.8321.78970.04034090.0991350.482955
help-doe-getting-started-88已分析2222.0097-0.00965909-0.02373650.482955
help-doe-getting-started-99已分析20.4520.20220.2478410.6090520.482955
help-doe-getting-started-1010已分析28.8928.8922-0.00215909-0.005305810.482955
help-doe-getting-started-1111已分析23.8722.55421.315762.619340.212121
help-doe-getting-started-1212已分析20.6820.8703-0.190341-0.4677490.482955
help-doe-getting-started-1313已分析23.4723.22240.2475760.492860.212121
help-doe-getting-started-1414已分析18.1818.3628-0.182841-0.4493190.482955
help-doe-getting-started-1515已分析22.3223.2224-0.902424-1.79650.212121
help-doe-getting-started-1616已分析29.6229.56030.05965910.1466080.482955
help-doe-getting-started-1717已分析30.0529.57780.4721591.16030.482955
help-doe-getting-started-1818已分析19.5819.45530.1246590.3063410.482955
help-doe-getting-started-1919已分析22.6322.6778-0.0478409-0.1175660.482955
help-doe-getting-started-2020已分析23.2523.22240.02757580.05489630.212121
help-doe-getting-started-2121已分析22.3622.4578-0.0978409-0.2404370.482955
help-doe-getting-started-2222已分析23.6823.19030.4896591.20330.482955

因子编码

因子列标明输入变量,类型列标明其建模类型。中心和尺度将数值设置换算为编码值:(setting − center) / scale。因此,中点为 0,输入的低/高边界为 −1/+1。水平 / 对比适用于分类因子的编码;破折号不表示数值测量缺失。请将模型列、区组和秩的说明与此表一并保留。

因子编码 · 3 行
因子类型中心尺度水平 / 对比
jaw_temperature_c数值16010—
dwell_time_s数值10.2—
jaw_pressure_mpa数值0.30.05—
  • 模型列:Intercept, jaw_temperature_c, dwell_time_s, jaw_pressure_mpa, jaw_temperature_c × dwell_time_s, jaw_temperature_c × jaw_pressure_mpa, dwell_time_s × jaw_pressure_mpa, Block · contrast 1, Center point
  • 秩容差:1e-10
  • 区组水平:Day_1
  • 区组水平:Day_2

系数协方差

将各行与各列对应的模型项结合起来阅读。对角线元素为拟合系数标准误的平方。非对角线元素描述估计之间共同的不确定性。此矩阵针对模型系数,并非测量因子列之间的相关性。

系数协方差 · 9 行
列截距jaw_temperature_cdwell_time_sjaw_pressure_mpajaw_temperature_c × dwell_time_sjaw_temperature_c × jaw_pressure_mpadwell_time_s × jaw_pressure_mpa区组 · 对比 1中心点
截距0.0200165000-1.73724e-18000-0.0200165
jaw_temperature_c00.02001651.25524e-181.59056e-18-2.37535e-181.14682e-186.87283e-19-3.11116e-192.40441e-19
dwell_time_s01.25498e-180.02001651.41339e-18-8.20222e-182.83927e-18-2.97871e-189.96778e-188.55081e-21
jaw_pressure_mpa01.34066e-181.85008e-180.0200165-8.38039e-191.83585e-19-4.22472e-18-8.36686e-184.86775e-20
jaw_temperature_c × dwell_time_s-1.73724e-18-1.7558e-18-8.74062e-18-7.0199e-190.0200165-2.49201e-186.54714e-18-4.5524e-184.71332e-18
jaw_temperature_c × jaw_pressure_mpa01.09564e-182.83401e-183.04389e-19-1.87779e-180.02001658.66089e-19-4.98088e-19-6.83801e-21
dwell_time_s × jaw_pressure_mpa01.56378e-19-2.08591e-18-3.66915e-187.17073e-185.66413e-190.02001651.36697e-182.63412e-19
区组 · 对比 10-3.11116e-199.96778e-18-8.36686e-18-4.5524e-18-4.98088e-191.36697e-180.01455754.24889e-34
中心点-0.02001652.40441e-198.55081e-214.86775e-204.71332e-18-6.83801e-212.63412e-194.24889e-340.073394

预测和系数详情

PRESS 汇总留一法预测误差:预测每次运行时,均使用未包含该次运行的数据拟合模型。预测 R² 使用这些误差。系数协方差反映估计的不确定性;其对角线元素为系数标准误的平方。这些诊断是对失拟检验和残差检查的补充,不能替代它们。

8. 创建报告

保留英文原始报告中的 Model overview、Adjusted term ANOVA、Coefficients、Coefficient covariance、Row diagnostics 和 Factor coding,以及 Factorial effects 表、效应图和残差图。记录响应单位、因子设置、已记录的运行顺序及所有模型说明。将失拟检验结果与残差检查结果一并保留;仅凭失拟检验无法验证模型是否适用。

在已完成的运行中选择 Add to report 。打开 Choose individual items and advanced options 以选择表格和图表,然后选择 Add to draft。隐藏的项目仍会保留在已保存的分析中。

为报告命名,并添加研究目的和您的解读。选择 Save,查看 Preview,然后使用 Export → Download HTML。以下示例包含全部已选内容,包括超出单屏显示范围的结果。

此报告在应用中生成,为英文原版。 此 Help 示例在应用内生成的完整输出,包括适用的表格、图表和运行说明。 报告中的数值采用应用显示的数值精度。导出的图表为静态图表。在窄屏上,请横向滚动查看较宽的图表和表格。
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