正交试验设计经典案例-正交实验法的正交实验法举例

案例:水稻播种机穴盘育秧播种装置

1.水稻播种机穴盘育秧播种装置的试验设计 随着栽培技术的不断更新,高效、节本、高产的抛秧栽培法获得了迅速发展和推广。为了改善原有播种装置中窝眼辊轮结构,我们研制成功了穴盘育秧播种装置,它不仅解决了手工操作进行育秧培育的劳动强度大,工作效率低等问题,而且能大幅度地提高播种量的稳定性和播种的均匀性,使水稻播种机械更趋实用与完善。

(1)试验目的 考虑影响播种性能的主要因素对水稻播种机穴盘育秧播种装置播种性能的影响程度,以达到优化设计参数。

(2)试验条件 种子品种:杂交稻(协优46号)

种子状况:经过脱芒、浸种、催芽露白、去杂质

秧盘规格:600mm×340mm,561穴

种子千粒重:26.9g

试验盘数:100盘

秧盘运行速度与排种胶带线速度严格一致。

(3)试验因素

选用三个可变因素:

生产率(盘/小时)、播种量(粒/穴)、投种高度(mm)。

A.可变因素

B.可变的水平数每个因素分别取三个水平数

C.实验因素与水平

为了研究生产率、播种量及投种高度对播种性能的影响,特安排了三因素三水平的正交试验,试验因素与水平见下表所示。

2.正交试验方案与试验结果分析 (1)正交试验方案与试验结果 选用L9(34)正交表进行试验设计,试验方案与试验结果见下表所示。其数据采集方法为:在每种工况(每个试验号)条件下进行随机抽样3盘测定,测定播种合格率时,每盘随机连片抽样100穴。最后,把3次测定的各项数据的平均值记入试验结果。

(2)试验结果分析如下表所示

注:

(1)T为因素试验结果之和,如T1 = 93.0 + 91.0 + 89.0 = 273.0。

(2)t为因素试验结果之和的均值,如。

(3)R为t值中的大数-小数。

(4)播种合格率:每盘随机测定的100穴,其中种子粒数合格的穴数所占的百分比(种子粒数合格范围为:杂交稻(1-3粒/穴,常规稻3-6粒/穴)。

(5)播种变异系数V

x――每盘播种量;

――平均盘播种量(g);n――试验盘数,s――标准差。

(6)空穴率:每盘随机测定的100穴,其中空穴数所占的百分比。

由上面两表得出影响3项指标的主次因素和较优水平为:播种合格率C1A1B3;播种变异系数C1B3A1;空穴率C1B3A2。

考虑到水稻播种的实际需要,经综合分析,选取各试验因素的较优水平组合为:A1B3C1、A2B3C1、A1B3C1。因为在上述正交试验中未出现过A1B3C1以及A2B3C1,为此专门安排了单因素(生产量)三水平试验,试验结果见下表所示。

从上表可知,最佳组合为A2B3C1,播种合格率96.0%,播种变异系数1.9%,空穴率0.5%。

3.试验结论 (1)400盘/小时是该播种装置杂交稻播种的临界生产率,高出此值,则各项性能指标受重大影响。

(2)播种量越大,各项性能指标越好。

(3)投种高度对播种质量的影响十分显著,投种高度越低,播种质量越好。

正交试验设计时试验优化的常用方法。它可以通过科学合理地规划设计,达到用较少的试验次数,取得较为准确可靠的结果。

当前有一项研究,研究大豆出油率分别与3个因素的关系情况,分别是萃取液,温度和处理时间。需要设计一个三因素三水平的正交试验表,并收集试验数据后进行分析,希望找出3个因素时各水平的最佳大豆出油率组合。

进入SPSSAU系统,选择[实验/医学研究]--[正交实验]。

确定因子个数及水平数,点击[开始分析]。得到正交表L9.3.4,总共进行9次试验。

确定选用的正交表后,把表中各列因子下的数字“1”、“2”、“3”,分别换成各因子在试验中的水平值,并根据此表格安排试验方案。

下一步按照试验方案进行试验,将对应数据收集填入表中。

本案例数据如下表:表格中水平数量使用数字表示,比如因子2(温度)里面的数字1表示20度,数字2表示35度。

上传数据,对试验数据进行分析。

选择[实验/医学研究]--[极差分析]。

放置分析项操作如下:

SPSSAU输出结果如下:

极差分析可用于研究正交试验数据,包括因素间的优势或因素间具体水平的优劣。表格中各指标含义说明如下:

极差分析表格中可知:从3个因素来看,结合R值(因素极差值)的大小对比可知,因子2温度是最优因素,其次是因子1萃取液量,最后是因子3处理时间。因而3个因素的优劣排序为:因子2(温度)>因子1(萃取液量)>因子3(处理时间)。

具体结合各因子的最佳水平可知,因子1萃取液量时第2个水平即50时最优,因子2温度以第3个水平即50度最优,因子3处理时间以第3个水平即3.5小时最优。

综合上述分析可知:最优因子为温度。最优组合为“温度50度,萃取液量50,处理时间3.5小时”。

通过图形可直观查看如下:

用正交法测定几种因素对蔗糖酶活力的影响

目的要求

1.初步掌握正交实验设计方法的使用

2.求出蔗糖酶的最适温度和最适pH值

实验原理

酶的催化作用是在一定条件下进行的,它受多种因素的影响,如:底物浓度、酶浓度、溶液的pH值和离子浓度、温度、抑制剂和激活剂等都能影响催化反应的速度。通常是在其他因素恒定的条件下,通过对某因素在一系列变化条件下的酶活性测定,求得该因素对酶活力的影响,这是单因素的简单比较法。

本实验用正交法测定温度、pH值、底物浓度和酶浓度四种因素对蔗糖酶活性的影响,这是多因素(≥3)的实验方法。

正交法是通过正交表安排多因素实验,利用统计数学原理进行数据分析的一种科学方法,它符合“以尽量少的试验,获得足够的、有效的信息”的实验设计原则。正交试验法的程序为下列八个步骤:

(1)确定试验目的。实验目的是多种多样的,如找出产品质量指标的最佳组合、确定最佳工艺条件等。本实验的目的是为了提高酶的反应速度,提高酶的活力。

(2)选择质量特性指标。应选择能提高或改进的质量特性及因素效应。对于本实验来说就是产物(葡萄糖)生成量的多少。

(3)选定相关因素。即选择和确定可能对实验结果或质量特性值有影响的那些因素,可人为控制与调节的因素,如温度、pH等。这些因素之间有相互独立性。

(4)确定水平。水平,又称位级,是因素的一个给定值或一种特定的措施,或一种特定的状态。水平也就是因素变化的各种状态。在确定水平时,应考虑选择范围、水平数和水平位置。如本实验的温度水平可以选择20℃、30 ℃、50 ℃三个水平。

(5)选用正交表。应从因素数、水平数以及有无重点因素需要强化考察等各方面综合考虑选用正交表。一般情况下,首先根据水平数选用2或3系列表,然后,以容纳试验因素数,选用实验次数最少的正交表。如有重点考察的因素,则根据其多考察的水平数,选混合型正交表。

(6)配列因素水平,制定实验方案。按随机原则,把因素配列于选用的正交表中,制定实验的顺序、时间等,即制定实验具体方案。

(7)实施实验方案。按实验方案,认真、正确地试验,如实记录各种实验数据。

(8)实验结果分析。对实验中取得的各种数据进行分析。如从数据中直接选出符合或接近质量特性期望值的实验条件组。如不能采用直观分析方法,则应采用其他分析方法,确定各因素主次地位可用极差分析方法,定量分析各个因素对实验结果的影响程度,则用方差分析方法。

操作方法

1.实验设计:

1)确定指标:即实验的结果。本实验的指标是酶活力。这里,用A520值表示。

2)制定因素水平表:考察四个因素(温度、pH值、底物浓度和酶浓度),每个因素取三个水平(如温度选择20℃、35 ℃ 和50 ℃ 三个水平)。水平是因素变化的范围(通常是根据专业知识确定。如无资料可借鉴,应先加宽范围再逐步缩小)内要进行实验的具体条件,如表1。

表1 因素水平表

3)选择正交表:可容纳三因素三水平的正交表有L9(34)、L27(313)、L18(36×6)和L27(38×9)。本实验不考察各因素间的交互作用,也没设计混合水平,只有水平数均为3的的四个因素,故选用L9(34)表,见表2。

分析:

A. 判断各因素的水平范围是否选偏;

B. 判断各因素显著性大小的顺序;

C. 判断实验结果的置信度。

实验安排

具体操作步骤:

1、将已配制好的三种不同pH的0.2mol/L的缓冲液于试管中。

2、将酶粉用蒸馏水溶解(适当体积10-30ml不等),离心去

除不溶物,10,000rpm/min,10min,4℃。

3、酶活预示实验,确定酶的稀释倍数。(可根据产物稀释的

倍数来确定酶的稀释倍数)A520在0.4-2.0之间即可。

4、准备10支试管。其中一支为“0”号管,作为测量时的参比溶液。其他九支试管根据前面的图表3加入相关的溶液,分别在不同的条件下进行酶反应。利用二硝基水杨酸的方法测定不同管在A520下的光密度值。

5、计算同一因素不同水平的级差,级差小代表离散度小,表示该水平为酶反应的最适条件。

1)数据记录:将上述两组平行实验的结果取平均值后的9个数据,填入表4中的Yi项内。

2)数据整理及分析:对于一般的实验,可用极差分析,该分析方法简单、直观。对要求精细的实验,则要用方差分析,该方法可给出误差的大小估计,但有一定的计算量。对于有混合水平的正交实验,只能用方差分析。

本实验,只使用极差分析:

A. 计算出各水平实验结果总和,即第1、2、3、4列上的k1、k2、k3,并求出k1、k2、k3和k的R值(极差)。

B. 选出优水平组合:据R值的大小,排出因素显著性的顺序,并比较k值选出优水平组合(即好的实验条件)。

由上述数据分析及验证实验,讨论在本实验条件下,温度、pH值、底物浓度和酶浓度对蔗糖酶活性的影响;求出蔗糖酶的最适温度和最适pH值。