1
Chapitre 4 Expériences multifactorielles plans fractionnaires
Plans fractionnaires 2
k – p Utilisation de Statistica
Exemple : conception et analyse d’un plan avec 8 facteurs
Autres plans
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Chapitre 4
conception d’un plan fractionnaire
Exemple 1 : plan 4 facteurs en 8 essais - plan noté 24
-
1-départ : plan complet 23 pour 3 facteurs A, B, C = 8 essais - ajout 4 ième facteur D en confondant ses valeurs avec
l’interaction triple D = ABC (relation de définition) -hypothèse : effet d’interaction ABC est négligeable
-effets confondus – algèbre des effets confondus (acétate suivante) A = BCD B = ACD C = ABD
AB = CD AC = BD AD = BC BC = AD BD = AC CD = AB - plan de 4 facteurs en 8 essais 16 essais plan complet 24
économie : 50% des essais
méthode : ajout de facteurs avec des effets d’interaction d’ordre élevé
Plan 23 24 25 26 ………
nombre facteurs 3 4 5 6 ………
nombre essais 8 16 32 64 ………
3
algèbre de relation des effets confondus : plans avec facteurs à 2 modalités ± 1 Exemple 1 : plan 2 4 – 1 D définit par D = ABC
BCD = BC (ABC) = A B 2C 2 = A car B 2= C 2 = I = identité B = ACD
C = ABD AB = CD AC = BD AD = BC BC = AD BD = AC CD = AB
tous ces résultats viennent de l’équation
D = ABC
déplacer les lettres de part et d’autre de l’égalité
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conception d’un plan fractionnaire
Exemple 2 : plan 5 facteurs en 16 essais - plan noté 25
-
1-départ : plan complet 24 pour 4 facteurs A, B, C, D = 16 essais - ajout 5ième facteur E en confondant ses valeurs avec
l’interaction quadruple E = ABCD -hypothèse : effet d’interaction ABCD est négligeable
-
effets confondusA = BCDE B = ACDE C = ABDE D = ABCE AB = CDE AC = BDE AD =BCE AE = BCD BC = ADE BD = ACE BE =ACD
CD = ABE CE = ABD DE = ABC
- plan de 5 facteurs en 16 essais 32 essais plan complet 25 économie : 50% des essais
5
conception d’un plan fractionnaire
Exemple 3 : plan pour 6 facteurs en 16 essais - plan 2 6 - 2
choix 1 : E = ABCD et F = BCD
-départ : plan complet 24 pour 4 facteurs A, B, C, D = 16 essais - ajout 5ième facteur E en confondant ses valeurs avec E = ABCD - ajout 6ième facteur F en confondant ses valeurs avec F = BCD -effets confondus
A = BCDE B = ACDE C = ABDE D = ABCE AB = CDE AC = BDE AD =BCE AE = BCD BC = ADE BD = ACE BE =ACD
CD = ABE CE = ABD DE = ABC EF = A - plan de 6 facteurs en 16 essais 64 essais plan complet 26 - économie : 75% des essais mais ….. pas un bon choix
pas recommandé de confondre effet principal avec effet d’interaction meilleur choix pour définir E et F ? ( page suivante)
Chapitre 4
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conception d’un plan fractionnaire
Exemple 3 : plan pour 6 facteurs en 16 essais - plan 2 6 - 2
choix 2 : E = ABC et F = BCD
-départ : plan complet 24 pour 4 facteurs A, B, C, D = 16 essais - ajout 5ième facteur E en confondant ses valeurs avec E = ABCD - ajout 6ième facteur F en confondant ses valeurs avec F = BCD -effets confondus
B = ACE = CDF C = ABE = BDF D = BCF A - B - C- D : 6 interactions doubles AB AC AD BC BD CD
AE = A(ABC) = A2BC = BC AF = A(BCD) = ABCD BE = B(ABC) = AB2C = AC BF = B(BCD) = B2CD = CD CE = AB CF=BD DE = ABCD DF = BC EF = AD
- plan de 6 facteurs en 16 essais 64 essais plan complet 26 économie : 75% des essais - choix 2 préférable à choix 1
7
conception d’un plan fractionnaire
Exemple 5 : plan pour 5 facteurs en 8 essais - plan 25
-
2-départ : plan complet 23 pour 3 facteurs A, B, C = 8 essais - ajout 4 ième facteur D en confondant ses valeurs avec
l’interaction triple D = ABC (relation de définition) - ajout 5 ième facteur E en confondant ses valeurs avec
l’interaction double E = AB (relation de définition) -effets confondus
A = BCD B = ACD C = ABD
AB = CD AC = BD AD = BC AE = A(AB) = B BC = AD BD = AC BE = B(AB) = A CD = AB CE = C (AB) = ABC
DE = (ABC) (AB) = A2B2C = C
effet principal de A confondu avec l’interaction BE effet principal de B confondu avec l’interaction AE effet principal de C confondu avec l’interaction DE
pas recommandé de confondre effet principal avec effet d’interaction plan 2 5-2 pas recommandé
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niveau de résolution d’un plan
niveau interprétation
III effets principaux confondus avec des interactions doubles
IV effets principaux non confondus avec des interactions doubles et effets d’interactions
doubles confondus avec d’autres interaction doubles V séparation complète de toutes les interactions
doubles et des effets principaux V+ séparation de tous les effets
Recommandation
- tamiser les facteurs : niveau IV et plus
- modéliser et optimiser avec facteurs critiques : niveau V et V+
- niveau III : seulement si toutes les interactions sont négligeables
9
Recommandation :
plans pour tamiser des facteurs
# facteurs # d’essais résolution 2 4 V+
3 8 IV 4 8 IV 5 16 V 6 -7 16 IV 8 16 IV 9 à 15 32 IV 16 32 IV 17 à 31 64 IV
nombre de facteurs ≤ nombre d’essais / 2
Chapitre 4
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plans pour 2 à 15 facteurs
IV 16 IV 16 IV 16 IV 16 V 16 V 16 VI 16 VIII
32 Com
plet 64 128
IV 16 IV 16 IV 16 IV 16 IV 16 IV 16 IV 16 V 16 VII
16 Com
plet 32 64
IV 8 IV
8 IV
8 IV
8 IV
8 IV
8 IV
8 IV
8 IV
8 VI 16 Com
plet 16 32
III 1 III
2 III
2 III
4 III
4 III 4 III
4 IV
8 IV
8 IV
8 V 8 Com
plet 8 16
III 1 III 2 III
2 IV
4 Com
plet 4 8
III 1 Com
plet 2 4
15 14 13 12 11 10 9 8 7
6 5 4
3 nombre 2
d’essais
n o m b r e d e f a c t e u r s
résolution nombre maximal de blocs possibles
11 FACT. FRACT. ESSAIS RÉSOL. GÉNÉRATEURS____________________________
3 1/2 4 III C = ± AB___________________________
4 1/2 8 IV D = ± ABC_________________________
5 1/2 16 V E = ± ABCD
______1/4 8 III D = ± AB E = ± AC________________
6 1/2 32 VI F = ± ABCDE
1/4 16 IV E = ± ABC F = ± BCD
1/ 8 8 III D = ± AB E = ± AC F = ± BC________
7 1/2 64 VII G = ± ABCDEF
1/4 32 IV F = ± ABCD G = ± ABDE
1/8 16 IV E = ± ABC F = ± BCD G = ±ABC 1/16 8 III D = ±AB E = ±AC F = ±BC G = ±ACD 8 1/2 128 VIII H = ± ABCDEFG
1/4 64 V G = ± ABCD H = ± ABEF
1/8 32 IV F = ± ABC G =±ABD H = ±BCDE 1/16 16 IV E = ± BCD F =±ACD G = ± ABC
H = ± ABD
conception plan fractionnaire : 3 à 8 facteurs
Chapitre 4
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FACT. FRACT. ESSAIS RÉSOL. GÉNÉRATEURS___________________
9 1/4 128 VI H = ± ACDFG J = ± BCEFG
1/8 64 V G = ± ABCD H = ± ACEF J = ± CDEF
1/16 32 IV F = ± BCDE G = ± ACDE H = ± BCDE J = ± ABCE 1/32 16 IV E = ± ABC F = ± BCD G = ± ACD
H = ± ABD J = ± ABCD
10 1/8 128 V H = ± ABCG J = ± ACDE K = ± ACDF
1/16 64 IV G = ± BCDF H = ± ACDF J = ± ABDE K = ± ABCE 1/32 32 IV F = ± ABCD G = ± ABCE H = ± ABDE
J = ± ACDE K = ± BCDE
1/64 16 III E = ± ABC F = ± BCD G = ± ACD H = ± ABD J = ± ABCD K = ± AB 11 1/32 64 IV G = ± CDE H = ± ABCD J = ± ABF
K = ± BDEF L = ± ADEF
1/64 32 IV F = ± ABC G = ± BCD H = ±CDE J = ± ACD K = ± ADE L = ± BDE 1/16 16 III E = ± ABC F = ± BCD G = ± ACD
H = ± ABD J = ± ABCD K = ± AB L = ± AC 12 1/256 16 III E = ± ABC F= ± ABD G = ± ACD H = ± BCD
J = ± ABCD K = ± AB L = ± AC M = ± AD 13 1/512 16 III E = ± ABC F= ± ABD G = ± ACD H = ± BCD
J = ± ABCD K = ± AB L = ± AC M = ± AD N = ±BC 14 1/1024 16 III comme 13 facteurs et O = ± BD
15 1/2048 16 III comme 13 facteurs et O = ± BD P = ± CD
conception plan fractionnaire : 9 à 15 facteurs
13
Utilisation de Statistica
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Création du plan d’expériences
2 à 11 facteurs Plan : 26-2
analyse
15
Utilisation de Statistica
Plan : 2 6-2-1 1 -1 1 1 1 8
-1 -1 -1 1 1 -1 7
1 -1 -1 1 -1 1 6
1 1 -1 1 -1 -1 5
1 -1 -1 -1 1 1 4
1 1 -1 -1 1 -1 3
-1 1 -1 -1 -1 1 2
-1 -1 -1 -1 -1 -1 1
VD_ 1 F
E D C B A
1 1 1 1 1 1 16
1 -1 1 1 1 -1 15
-1 -1 1 1 -1 1 14
-1 1 1 1 -1 -1 13
-1 -1 1 -1 1 1 12
-1 1 1 -1 1 -1 11
1 1 1 -1 -1 1 10
1 -1 1 -1 -1 -1 9
VD_ 1 F
E D C B A
Y réponse Chapitre 4
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Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs Machine CNC ( commande numérique) à 5 axes employée pour
usiner des aubes ( (« blade ») turbine à jet.
Profil aube est une caractéristique importante pour la qualité.
Y = écart type (X 10 3 in) d’une série de mesures sur le profil obtenu et le profil idéal (dessin).
Objectif : minimiser Y « smaller the better »
Facteur nom unité niveau (-) niveau ( + )
A x-axis shift 0.001 in. 0 15
B y-axis shift 0.001 in. 0 15
C z-axis shift 0.001 in. 0 15
D tool vendor - 1 2
E a-axis shift 0.001 deg. 0 30
F spinule speed % nominal 90 110
G fixture height 0.001 in. 0 15
H feed rate % nominal 90 110
17
Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs Plan ? 6 possibilités
décision : 32 essais
2
8 - 3 F = ABCG = ABD H = BCDE
Chapitre 4
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Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
22 1.209 3.35
110 0
110 0
1 15
15 8 15
14 0.871 2.39
110 15
90 0
1 15
15 7 0
26 1.777 5.91
90 15
90 0
1 15
0 6 15
6 0.908 2.48
90 0
110 0
1 15
0 5 0
4 1.389 4.01
90 0
90 0
1 0
15 4 15
29 0.888 2.43
90 15
110 0
1 0
15 3 0
16 1.821 6.18
110 15
110 0
1 0
0 2 15
18 1.015 2.76
110 0
90 0
1 0
0 1 0
run order Ln Y
Y déviation
profile H
feed rate G
fixture height F
spindle speed E
a-axis shift D
tool vendor C
Z-axis shift B
Y-axis shift A
X-axis shift
. . . . . . . . . . . .
31 1.224 3.40
110 15
110 30
2 15
15 15
32
5 1.484 4.41
110 0
90 30
2 15
15 0
31
20 1.295 3.65
90 0
90 30
2 15
0 15
30
9 1.491 4.44
90 15
110 30
2 15
0 0
29
données de l’expérience
19
Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
Analyse du plan spécification
des variables
Chapitre 4
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Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
Spécification du modèle
21
Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
Modèle ordre 2
Chapitre 4
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Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
Avertissement : les effets
8 effets principaux A, B, …, H
28 = (8 x 7) /2 effets d’interaction AB, AC,….FG ne sont pas tous isolés - il y a des effets confondus acétate 23
23
Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
(8)H feed rate (7)G fixture height (6)F spindle speed (5)E a-axis shift (4)D tool vendor (3)C Z-axis shift (2)B Y-axis shift (1)A X-axis shift
Alias Alias
2 * 5 1 * 8
2 * 4 1 * 7
2 * 3 1 * 6 1 * 5
2 * 7 1 * 4
2 * 6 1 * 3
4 * 7 3 * 6
1 * 2
Alias Alias
5 * 6 4 * 8 4 * 5 3 * 8
4 * 6 3 * 7 3 * 5
6 * 7 3 * 4 2 * 8
Alias Alias
effets confondus
7 * 8 6 * 8 5 * 8 5 * 7
Alias Alias
Chapitre 4
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Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
ANOVA et effets
25
Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
Diagramme de Pareto des Effets Standardisés ; Variable: lnY VD: lnY
-.013498.1304041-.156788.214328.3489637.3777582-.391067.4182424.4554086-.482074-.686904-.748641.9204201-.94227-1.032071.061652-1.20029-1.344321.40982-1.431961.620874-1.654682.6262822.8829213.094874 -5.34663 7.738754 -9.9743 p=.05
Estimation de l'Effet Standardisé (Valeur Absolue) (5)E a-axis shift
1*2 2*8 3*7 4*5 (3)C Z-axis shift 3*4 (6)F spindle speed 1*6 1*7 3*8 2*5 (7)G fixture height (1)A X-axis shift
attention : effets confondus ! voir acétate 23 diagramme fait avec les valeurs de la statistique t
de Student
Chapitre 4
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Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
Effets Estimés : Var.:lnY; R²=.98721; Aj.:.86779
0.020 0.3663
1.06 0.038 0.040
3 * 5
-0.023 0.3162
-1.20 0.038 -0.045
1 * 6 ou 2 * 3
-0.025 0.2715
-1.34 0.038 -0.050
1 * 8
0.026 0.2534
1.41 0.038 0.053
1 * 7 ou 2 * 4
-0.027 0.2476
-1.43 0.038 -0.054
5 * 7
0.030 0.2035
1.62 0.038 0.061
3 * 8
-0.031 0.1966
-1.65 0.038 -0.062
1 * 3 ou 2 * 6
0.049 0.0786
2.63 0.038 0.099
2 * 5
0.054 0.0634
2.88 0.038 0.108
(4)D tool vendor
0.058 0.0535
3.09 0.038 0.116
(7)G fixture height
-0.100 0.0128
-5.35 0.038 -0.201
(2)B Y-axis shift
0.145 0.0045
7.74 0.038 0.290
(1)A X-axis shift
-0.187 0.0021
-9.97 0.038 -0.374
1 * 4 ou 2 * 7
1.280 0.0000
68.26 0.019 1.280
Moy/Ord.Orig
coeffs p
t(3) Er-Type Effet
-0.000 0.9901
-0.01 0.038 -0.001 (5)E a-
axis
0.002 0.9045
0.13 0.038 0.005 7 * 8
-0.003 0.8854
-0.16 0.038 -0.006 1 * 2
0.004 0.8440
0.21 0.038 0.008 1 * 5
0.007 0.7502
0.35 0.038 0.013 2 * 8
0.007 0.7308
0.38 0.038 0.014 (8)H
feed rate
-0.007 0.7219
-0.39 0.038 -0.015 3 * 7 ou
4 * 6
0.008 0.7039
0.42 0.038 0.016 4 * 8
0.009 0.6798
0.46 0.038 0.017 4 * 5
-0.009 0.6627
-0.48 0.038 -0.018 5 * 6
-0.013 0.5415
-0.69 0.038 -0.026 (3)C Z-
axis shift
-0.014 0.5084
-0.75 0.038 -0.028 6 * 8
0.017 0.4252
0.92 0.038 0.035 3 * 4
-0.018 0.4156
-0.94 0.038 -0.035 5 * 8
coeff p
Er- t(3) Effet Type
27
Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
ANOVA; Var.:lnY; R²=.98721; Aj.:.86779
0.8440 0.05
0.0005 1
0.0005 1 * 5
0.0021 99.49
1.1197 1
1.1197 1 * 4
0.1966 2.74
0.0308 1
0.0308 1 * 3
0.8854 0.02
0.0003 1
0.0003 1 * 2
0.7308 0.14
0.0016 1
0.0016 (8)H feed
rate
0.0535 9.58
0.1078 1
0.1078 (7)G
fixture height
0.3780 1.07
0.0120 1
0.0120 (6)F
spindle speed
0.9901 0.00
0.0000 1
0.0000 (5)E a-
axis shift
0.0634 8.31
0.0935 1
0.0935 (4)D tool
vendor
0.5415 0.47
0.0053 1
0.0053 (3)C Z-
axis shift
0.0128 28.59
0.3217 1
0.3217 (2)B Y-
axis shift
0.0045 59.89
0.6740 1
0.6740 (1)A X-
axis shift
p F
MC dl SC
31 2.6390 Total
SC
0.0113 3
0.0338 Erreur
0.9045 0.02
0.0002 1
0.0002 7 * 8
0.5084 0.56
0.0063 1
0.0063 6 * 8
0.4156 0.89
0.0100 1
0.0100 5 * 8
0.2476 2.05
0.0231 1
0.0231 5 * 7
0.6627 0.23
0.0026 1
0.0026 5 * 6
0.7039 0.17
0.0020 1
0.0020 4 * 8
0.6798 0.21
0.0023 1
0.0023 4 * 5
0.2035 2.63
0.0296 1
0.0296 3 * 8
0.7219 0.15
0.0017 1
0.0017 3 * 7
0.3663 1.13
0.0127 1
0.0127 3 * 5
0.4252 0.85
0.0095 1
0.0095 3 * 4
0.7502 0.12
0.0014 1
0.0014 2 * 8
0.0786 6.90
0.0776 1
0.0776 2 * 5
0.2715 1.81
0.0203 1
0.0203 1 * 8
0.2534 1.99
0.0224 1
0.0224 1 * 7
0.3162 1.44
0.0162 1
0.0162 1 * 6
0.8440 0.05
0.0005 1
0.0005 1 * 5
p F
MC dl SC
Chapitre 4
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Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
Tracé de Probabilité ; Var.:lnY; R²=.98721; Aj.:.86779 2**(8-3); MC Résidus =.0112546
VD: lnY
(5)E a-axis shift(8)H feed rate(3)C Z-axis shift(6)F spindle speed7*81*21*52*83*74*84*55*66*83*45*83*51*61*81*75*73*81*3(4)D tool vendor(7)G fixture height2*5
(2)B Y-axis shift
(1)A X-axis shift
1*4
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
- Interactions - Effets princ. et autres effets Effets Standardisés (valeurs t) (Valeurs Absolues) 0.0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Valeur Normale Théorique (Normalité par Moitié)
.05 .25 .45 .65 .75 .85 .95 .99
effets importants : A B D G AD
29
Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs Nouvelle analyse basée sur les facteurs A B D G
Chapitre 4
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Effets; Var.:lnY; R-sqr=.88649; Adj:.85338 MS Residual=.0124813 DV: lnY
0.8829 -0.149
0.0395 -0.0059
1 * 2
0.1932 1.339
0.0395 0.0529
1 * 4
0.0115 2.738
0.0395 0.1081
(3)D tool vendor
0.0072 2.939
0.0395 0.1161
(4)G fixture height
0.0000 -5.077
0.0395 -0.2005
(2)B Y-axis shift
0.0000 7.349
0.0395 0.2903
(1)A X-axis shift
0.0000 -9.472
0.0395 -0.3741
1 by 3
0.0000 64.816
0.0197 1.2801
Mean/Interc.
p t(24) Err.
Effet type
ANOVA; R-sqr=.88649;
Adj:.85338
31 2.6390 Total SS
0.0125 24
0.2996 Errur
0.1932 1.792
0.0224 1
0.0224 1 * 4
0.0000 89.711
1.1197 1
1.1197 1 * 3
0.8829 0.022
0.0003 1
0.0003 1 * 2
0.0072 8.637
0.1078 1
0.1078 (4)G fixture
height
0.0115 7.494
0.0935 1
0.0935 (3)D tool
vendor
0.0000 25.777
0.3217 1
0.3217 (2)B Y-axis
shift
0.0000 54.002
0.6740 1
0.6740 (1)A X-axis
shift
p F
dl MC SC
Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: lnY 2**(4-1) design; MS Residual=.0124813
DV : lnY
-.148885 1.33875
2.73759 2.938858
-5.0771
7.348637
-9.47157
p=.05
Standardized Effect Estimate (Absolute Value) 1by2
1by4 (3)D tool vendor (4)G fixture height (2)B Y-axis shift (1)A X-axis shift 1by3
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Exemple : conception et analyse d’une expérience avec 8 facteurs
minimum de Y : A = 0 B = 15 D = 1
Chapitre 4
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Plot of Marginal Means and Conf. Limits (95.%) DV: lnY
Design: 2**(4-1) design
NOTE: Std.Errs. for means computed from MS Error=.0124813
A X-axis shift 0
A X-axis shift 15
D tool vendor: 1 B Y -ax is shift:
0
15 0.4
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
lnY
D tool vendor: 2 B Y-axis shift:
0
15
Autres plans expérimentaux
Central composite (Box-Wilson)
Box-Behnken
Plackett - Burman
Plans en blocs, carrés latins, Greco Latin
Arrangements Taguchi ( « linear array » )
Mélanges ( « mixture » )
Designs avec contraintes sur les facteurs
Designs optimaux algorithmiques
Split Plot
Facteurs emboîtés (« nested »)
33
Central composite ( Box-Wilson )
facteurs avec 5 modalités - α -1 0 1 α
α >= 1
α dépend du nombre de facteurs k et autres critères
valeurs souvent employées:
α = 1 , k
0.5, n
c 0.25surfaces de réponses pour optimisation avec polynômes du deuxième degré
Chapitre 4
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Box- Behnken : facteurs à 3 modalités
essai A B C 1 - - 0 2 - + 0 3 + - 0 4 + + 0 5 - 0 - 6 - 0 + 7 + 0 - 8 + 0 + 9 0 - - 10 0 - + 11 0 + - 12 0 + + 13 0 0 0 14 0 0 0 15 0 0 0
centre du cube : ( 0 , 0 , 0 )
Exemple : 3 facteurs A B C - modalités codées : -1 0 1
35
Plan en blocs - plans Split Plot
Blocs
regroupement des d’essais tenir en compte des facteurs secondaires
facteurs
essai A B … bloc 1 . . 1 2 . . 1 k ….……… 1 k +1 . . 2 k +2 . . 2
…………. 2
………..
n-1 t n .. t
Split Plot
assignation des traitements avec restriction sur la
randomisation 2 catégories d’unités
expérimentales : plot
split plot a1 a2
facteur 1
facteur 2
b1 b2 b3 b4
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Plans de surface de réponse central composite et Box-Behnken