MATLAB在化工数据处理中的应用

化工数据处理与实验设计期中论文Matlab在化工数据处理中的应用：奕含学号：2012115134班级：化学工程与工艺Matlab在化工数据处理中的应用一、MATLAB简介Matlab软件包最初是1967年由ClereMaler用FORTRAN语言设计和编写的。1984年Mathworks公司用C语言完成了Matlab的商业化版本并推向市场。经过20余年的改进，Matlab已发展成为一个具有极高通用性的、带有众多实用工具的运算平台，成为国际上广泛认可的优秀科学计算软件。Matlab是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。Matlab和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。Matlab可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。Matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用Matlab来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且Matlab也吸收了像Maple等软件的优点，使Matlab成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。其特点如下：1.支持多平台操作系统（Windows、Unix等）。2.是一种简单易学的编程语言。3.Matlab程序很容易维护。4.编程效率很高。由于用户程序可直接调用大量的Matlab函数，因此编程速度快。5.用途广泛。可用于数值计算和符号计算、数据分析、工程与科学绘图、图形用户界面设计、建模和仿真、控制系统设计、数字图像信号处理以及财务工程等。6.功能超强。包含600多个常用算法建函数，有众多面向具体应用的工具箱（如偏微分方程、最优化方法、数理统计、样条函数、神经网络工具箱等）和simulink仿真模块。此外，其他产品延伸了Matlab的能力，包括数据采集和依靠Matlab语言编程产生独立的C/C++代码等等。其算法函数大多由国际知名专家完成，算法稳定可靠、效率高。7.具有开放式结构，扩展功能强。Matlab的开放式结构使Matlab产品族很容易针对特定的需求进行扩充。8.支持混合编辑技术。提供与其他面向对象的高级语言（如VC、VB和CVF等）进行混合编程的接口。9.Matlab函数源代码公开，有助于用户学习和研究算法。10.第三方公司Matlab软件产品产品的强力支持，如femlab，可直接求解三维PDE问题。简言之，Matlab具有非常强大的数值计算功能、图形可视化功能和符号运算功能，且简单易学，扩展性好，可以与其他面向对象的高级语言进行混合编程。二、软件功能主要功能如下表所示：Matlab的主界面如图1所示，由菜单栏、工具栏和几个功能窗口组成。常用的窗口有：命令窗口，用于Matlab命令的输入和计算结构的显示，是最常用的用户交互窗口；历史窗口，用于保存用户已输入过得命令；当前目录窗口，用于显示当前目录下的文件；工作窗口，用于显示和编辑存中的变量。“开始”按钮提供了Matlab的常用功能菜单。数值分析数值和符号计算工程与科学绘图控制系统的设计与仿真数字图像处理数字信号处理通讯系统设计与仿真财务与金融工程图1Matlab的主界面三、具体举例--冷却器的最优设计利用Matlab进行数据处理已经得到了越来越广泛的应用。化工中有很多求解最优值的问题，最优化方法在化工生产中的应用，主要涉及研究与开发中的实验方案最优化、化工数学模型的参数估计和辨识、化工过程优化设计、工艺操作参数的优化、过程优化控制以及最优生产调度等等。本文将举例冷却器的最优设计问题。例题：某炼油厂需将煤油从T1=140℃冷却到T2=40℃，煤油处理量G=3×104kg/h，冷却介质为水，初始温度为t1=30℃，要求设计一冷却器（逆流换热），并使该冷却器的年度总费用J尽可能小。已知数据：（1）冷却器每单位面积的总投资费用（材料费和制作费）JA=200元/m2。（2）冷却器年折旧率β=15%（包括维修费）。（3）冷却器总传热系数K=836.8kJ/(m2·h·℃）。（4）冷却器每年运行时间θ=8000h。（5）冷却水单价Jw=0.04元/吨。（6）冷却水比热容cpw=4.184kJ/(kg·℃）。（7）煤油比热容cpc=2.092kJ/(kg·℃）。根据传热学的基本原理分析可知，该冷却系统存在一个最佳的冷流出口温度使总费用最低（参见化工原理，冷流出口温度高，则传热推动力小，完成规定热负荷所需的传热面积打。投资费用就大，而需要的冷却水量减小，操作费用小）。试用最优化方法确定该最优冷流体出口温度，并计算在此最优值下冷却器的最小年费用、冷却器的传热面积、每小时冷却水用量以及年度投资费和年度操作费各占总费用的百分比。数学模型（1）目标函数1000wWAJAJJ（1）式中，JA、β、JW、θ为已知参数；A为传热面积，m2；w为冷却水用量，kg/h。（2）关于A和w的数学模型——热平衡方程冷却器的热负荷为Q=Gcpc（T1-T2）（2）由热平衡方程Q=wcpw（t2-t1)=Gcpc（T1-T2）=KA△tm，得)(w12ttcQpw（3）mtKQA（4）式中12211221mln)()tttTtTtTT（（5）由（2）和（5）带入（3）和（4），然后在带入（1），则（1）式仅有一个未知变量t2。因此，该问题属于单变量最优化问题。程序说明采用Nelder-Mead单纯形法函数fminsearch()进行优化，其中TotalFee()定义目标函数式（1），函数Area_Water()则根据式（3）和（4）求A和w。程序清单functionCoolerOptDes%冷却器的最优化设计（OptimalDesignofaCooler）clearall；clcglobalT1T2Gt1JAbetaKthetaJwCwCcQT1=140;T2=40;G=2e4;t1=30;JA=200;beta=0.15;K=836.8;theta=8000;Jw=0.04;Cw=4.184;Cc=2092;Q=G*Cc*(T1-T2);t0=50;t2=fminsearch(TotalFee,t0);fprintf('优化结果：\n\n')fprintf('冷却器最优出口温度为：%.2f%s\n',t2,'℃')allFee=TotalFee(t2);fprintf('最小年费用为：%.3f元\n',allFee)[Aw]=Area_Water(t2);fprintf('冷却器传热面积为：%3fm^2\n',A)fprintf('每小时冷却水用量为：%.1fkg/h\n',w)fee1=JA*A*beta;fee2=Jw*theta*w/1000;fprintf('年度投资费为：%.1f元，占总费用：%.2f%s\n',fee1,fee1/allFee*100,'%')fprintf('年度操作费为：%.1f元，占总费用：%.2f%s\n',fee2,fee2/allFee*100,'%')%------------------------------------------------------------------------functionJ=TotalFee(t2)globalT1T2Gt1JAbetaKthetaJwCwCcQ[Aw]=Area_Water(t2);J=JA*A*beta+Jw*theta*w/1000;%------------------------------------------------------------------------function[Aw]=Area_Water(t2)globalT1T2Gt1JAbetaKthetaJwCwCcQvar1=T1-t2;var2=T2-t1;dtm=(var1-var2)/log(var1/var2)A=Q/(K*dtm);w=Q/Cw/(t2-t1);计算结果冷却器最优出口温度为92.49℃，最小年费用为11352.578元，冷却器传热面积为207.715m2，每小时冷却水用量为16003.5kg/h。总费用中，年度投资费用为6231.5元，占总费用的54.89%；年度操作费为5121.1元，占总费用的45.11%。四、未来展望Matlab具有非常强大的数值计算功能、图形可视化功能和符号运算功能，且简单易学，扩展性好，可以与其他面向对象的高级语言进行混合编程。目前，Matlab已成为许多大学生和研究生课程中标准和重要的工具，在很多学科中表现出高效、简单和直观的优点。在国外的高等院校中，熟练运用Matlab已成为理工科大学生、研究生必须掌握的基本技能。我们更要好好学习和掌握Matlab软件，为今后的学习工作打下坚实的基础。五、参考文献[1]黄华江著.实用化工计算机模拟--MATLAB在化学工程中的应用..：化学工业，2004[2]谦，毛立群，房晓敏主编.计算机在化学化工中的应用.：化学工业，2010