Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
On design of experiments in continuous processes
Luleå University of Technology, Department of Business Administration, Technology and Social Sciences, Business Administration and Industrial Engineering.
2009 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Design of Experiments (DoE) includes powerful methods, such as factorial designs, to help maximize the information output from conducted experiments while minimizing the experimental work required for statistically significant results. The benefits of using DoE in industry are thoroughly described in the literature although the actual use of the methods in industry is far from being pervasive. Continuous processes, frequently found in the process industry, highlight special issues that are typically not addressed in the DoE literature. The overall objective of this research is to increase the knowledge of DoE in continuous processes. More specifically, the aims of this research are [1] to identify, explore, and describe potential problems that can occur when planning, conducting, and analyzing experiments in continuous processes, and [2] to propose methods of analysis that help the experimenter in continuous processes tackle some of the identified problems.This research has focused on developing analysis procedures adapted for experiments in continuous processes using a combination of existing DoE methods and methods from the related fields: multivariate statistical methods and time series analysis. The work uses real industrial data as well as simulations. The method is dominated by the study of the practical use of DoE methods and the developed analysis procedures using an industrial case - the LKAB Experimental Blast Furnace plant.The results are presented in six appended papers. Paper A provides a tentative overview of special considerations that the experimenter needs to consider in the planning phase of an experiment in a continuous process. Examples of important experimental complications further discussed in the papers are: their multivariate nature, their dynamic characteristics, the need for randomization restrictions due to experimental costs, the need for process control during experimentation, and the time series nature of the responses. Paper B develops a method to analyze factorial experiments with randomization restrictions using principal components combined with analysis of variance. Paper C shows how the use of the multivariate projection method principal component analysis can reduce the monitoring problem for a process with many and correlated variables. Paper D focuses on the dynamic characteristic of continuous processes and presents a method to determine the transistion time between experimental runs combining principal components and transfer function-noise models and/or intervention analysis. Paper E further addresses the time series aspects of responses from continuous processes and illustrates and compares different methods to analyze two-level factorials with time series responses to estimate location effects. In particular, Paper E shows how multiple interventions with autoregressive integrated moving average models for the noise can be used to effectively analyze experiments in continuous processes. Paper F develops a Bayesian procedure, adapted from Box and Meyer (1986), to calculate posterior probabilities of active effects for unreplicated twolevel factorials, successively considering the sparsity, hierarchy, and heredity principles.

Abstract [sv]

Försöksplanering omfattar kraftfulla metoder, exempelvis faktorförsök, för att maximera informationsutbytet vid experiment och samtidigt minimera de resurser som krävs för att nå statistiskt säkerställda resultat. Nyttan av att använda försöksplanering vid industriella experiment är väl beskriven i litteraturen men varken kännedomen om eller användningen av metoderna är lika utbredd i industrin.Kontinuerliga processer, vilka är frekvent förekommande i processindustrin, ger upphov till speciella problem vid experiment som normalt inte behandlas i litteraturen. Det övergripande syftet med den föreliggande forskningen är därför att öka kunskapen om försöksplanering i kontinuerliga processer. Mer specifika mål är att: [1] identifiera, utforska och beskriva potentiella problem som kan uppstå vid planering, utförande och analys av experiment i kontinuerliga processer, samt [2] att föreslå analysmetoder som kan vara till hjälp för att hantera några av de identifierade problemen.Denna forskning fokuserar på att utveckla analysmetoder anpassade för experiment i kontinuerliga processer genom att kombinera befintliga metoder inom försökplanering med metoder från de närliggande områdena multivariat dataanalys och tidsserieanalys. Arbetet använder verklig industriell data samt simuleringar. Forskningsmetoden domineras av praktiskt användande och tester av metoder inom försöksplanering och de utvecklade analysmetoderna kring ett verkligt industriellt fall - LKAB:s experimentmasugn i Luleå.Resultaten av forskningen presenteras i sex bifogade artiklar. Artikel A ger en preliminär översikt av särskilda överväganden som behövs vid planeringen av ett experiment i kontinuerliga processer. Exempel på problem som kan uppstå i kontinuerliga processer och som diskuteras i de efterföljande artiklarna är: deras multivariata natur och dynamiska karaktär, behovet av begränsad randomisering av delförsök för att minska kostnader, behovet av processtyrning under pågående försök och resultatvariabler som representeras av tidsserier. Artikel B utvecklar en metod för att analysera faktorförsök, med begränsad randomisering, baserat på principalkomponenter och variansanalys. I Artikel C används den multivariata projektionsmetoden principalkomponentanalys för att reducera övervakningsproblematik för en process med många korrelerade variabler. Processdynamik diskuteras djupare i Artikel D som utvecklar en metod för att bestämma omställningstider mellan delförsök baserat på principalkomponentanalys samt överföringsfunktions-brus-modeller och interventions-analys. Artikel E utvecklar, illustrerar och jämför olika metoder för analys av nivåeffekter hos simulerade tvånivåers faktorförsök med dynamiska effekter och resultatvariabler i form av tidsserier. Artikel E visar särskilt hur multipla interventionsvariabler, kombinerat med ARIMA-modeller för det kvarvarande bruset, kan användas för att analysera experiment i kontinuerliga processer. Artikel F utvecklar en Bayesiansk metod, baserad på Box and Meyers (1986) metod, som i tur och ordning tar hänsyn till analysprinciperna 'sparsity', hierarchy' och 'heredity' för att beräkna posteriori-sannolikheterna att effekterna är aktiva för icke-upprepade tvånivers faktorförsök.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2009. , 76 p.
Series
Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, ISSN 1402-1544
Research subject
Quality Technology and Management
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-18290Local ID: 7d6d4470-cdf8-11de-b769-000ea68e967bISBN: 978-91-7439-052-0OAI: oai:DiVA.org:ltu-18290DiVA: diva2:991297
Note
Godkänd; 2009; 20091110 (eri_van); DISPUTATION Ämnesområde: Kvalitetsteknik/Quality Technology and Management Opponent: Professor Geoffrey Vining, Virginia Tech, USA Ordförande: Docent Bjarne Bergquist, Luleå tekniska universitet Tid: Fredag den 18 december 2009, kl 13.00 Plats: A 109, Luleå tekniska universitetAvailable from: 2016-09-29 Created: 2016-09-29Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1690 kB)7 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1690 kBChecksum SHA-512
827a490accadeaf821938d280d9692b84e96c63a94388a45edbe60e2f70c24f847fa04d5567d92ec4c8cd9b3b1ffdeaaa32669856f281d26f5e3884808a940a1
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Vanhatalo, Erik
By organisation
Business Administration and Industrial Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 7 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 3 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link