Central composite design

In statistics, a central composite design is an experimental design, useful in response surface methodology, for building a second order (quadratic) model for the response variable without needing to use a complete three-level factorial experiment.

After the designed experiment is performed, linear regression is used, sometimes iteratively, to obtain results. Coded variables are often used when constructing this design.

Implementation

The design consists of three distinct sets of experimental runs:

  1. A factorial (perhaps fractional) design in the factors studied, each having two levels;
  2. A set of center points, experimental runs whose values of each factor are the medians of the values used in the factorial portion. This point is often replicated in order to improve the precision of the experiment;
  3. A set of axial points, experimental runs identical to the centre points except for one factor, which will take on values both below and above the median of the two factorial levels, and typically both outside their range. All factors are varied in this way.

Design matrix

The design matrix for a central composite design experiment involving k factors is derived from a matrix, d, containing the following three different parts corresponding to the three types of experimental runs:

  1. The matrix F obtained from the factorial experiment. The factor levels are scaled so that its entries are coded as +1 and 1.
  2. The matrix C from the center points, denoted in coded variables as (0,0,0,...,0), where there are k zeros.
  3. A matrix E from the axial points, with 2k rows. Each factor is sequentially placed at ±α and all other factors are at zero. The value of α is determined by the designer; while arbitrary, some values may give the design desirable properties. This part would look like:
E=[α000α0000α000α000000α0000α].{\displaystyle \mathbf {E} ={\begin{bmatrix}\alpha &0&0&\cdots &\cdots &\cdots &0\\{-\alpha }&0&0&\cdots &\cdots &\cdots &0\\0&\alpha &0&\cdots &\cdots &\cdots &0\\0&{-\alpha }&0&\cdots &\cdots &\cdots &0\\\vdots &{}&{}&{}&{}&{}&\vdots \\0&0&0&0&\cdots &\cdots &\alpha \\0&0&0&0&\cdots &\cdots &{-\alpha }\\\end{bmatrix}}.}

Then d is the vertical concatenation:

d=[FCE].{\displaystyle \mathbf {d} ={\begin{bmatrix}\mathbf {F} \\\mathbf {C} \\\mathbf {E} \end{bmatrix}}.}

The design matrix X used in linear regression is the horizontal concatenation of a column of 1s (intercept), d, and all elementwise products of a pair of columns of d:

X=[1dd(1)×d(2)d(1)×d(3)d(k1)×d(k)d(1)2d(2)2d(k)2],{\displaystyle \mathbf {X} ={\begin{bmatrix}\mathbf {1} &\mathbf {d} &\mathbf {d} (1)\times \mathbf {d} (2)&\mathbf {d} (1)\times \mathbf {d} (3)&\cdots &\mathbf {d} (k-1)\times \mathbf {d} (ك)&\mathbf {d} (1)^{2}&\mathbf {d} (2)^{2}&\cdots &\mathbf {d} (k)^{2}\end{bmatrix}},}

where d(i) represents the ith column in d.

Choosing α

توجد طرق عديدة لاختيار قيمة مناسبة لـ α. لنفترض أن F هو عدد النقاط الناتجة عن التصميم العاملي، و T = 2k + n هو عدد النقاط الإضافية، حيث n هو عدد النقاط المركزية في التصميم. القيم الشائعة هي كما يلي (مايرز، 1971):

  1. التصميم المتعامد :α=(سؤال×F/4)1/4{\displaystyle \alpha =(Q\times F/4)^{1/4}\,\!}، أينسؤال=(F+تي-F)2{\displaystyle Q=({\sqrt {F+T}}-{\sqrt {F}})^{2}}؛
  2. التصميم القابل للدوران : α = F 1/4 (التصميم الذي تم تنفيذه بواسطة وظيفة ccdesign في MATLAB ).

تطبيق تصميمات المركب المركزي لتحقيق التحسين

يمكن استخدام الأساليب الإحصائية، مثل منهجية سطح الاستجابة، لزيادة إنتاج مادة معينة إلى أقصى حد من خلال تحسين العوامل التشغيلية. وعلى عكس الطرق التقليدية، يمكن تحديد التفاعل بين متغيرات العملية باستخدام التقنيات الإحصائية. فعلى سبيل المثال، في إحدى الدراسات، استُخدم تصميم المركب المركزي لدراسة تأثير المعايير الحرجة للمعالجة المسبقة لقش الأرز باستخدام المذيبات العضوية، بما في ذلك درجة الحرارة والوقت وتركيز الإيثانول. وقد تم اختيار المادة الصلبة المتبقية، واستخلاص اللجنين، وإنتاج الهيدروجين كمتغيرات استجابة. [ 1 ]

مراجع

مايرز، ريموند هـ. منهجية سطح الاستجابة . بوسطن: ألين وبيكون، 1971