MATLAB在化工數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

-化工數(shù)據(jù)處理與實驗設(shè)計期中論文Matlab在化工數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用 姓名：陳奕含 學(xué)號：2012115134班級：化學(xué)工程與工藝歡迎下載Matlab在化工數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用1、 MATLAB簡介Matlab軟件包最初是1967年由Clere Maler用FORTRAN語言設(shè)計和編寫的。1984年Mathworks公司用C語言完成了Matlab的商業(yè)化版本并推向市場。經(jīng)過20余年的改進，Matlab已發(fā)展成為一個具有極高通用性的、帶有眾多實用工具的運算平臺，成為國際上廣泛認可的優(yōu)秀科學(xué)計算軟件。Matlab是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。是由美國Mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。Matlab和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。Matlab可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。Matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用Matlab來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且Matlab也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使Matlab成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持。其特點如下：1. 支持多平臺操作系統(tǒng)（Windows、Unix等）。2. 是一種簡單易學(xué)的編程語言。3. Matlab程序很容易維護。4. 編程效率很高。由于用戶程序可直接調(diào)用大量的Matlab函數(shù)，因此編程速度快。5. 用途廣泛。可用于數(shù)值計算和符號計算、數(shù)據(jù)分析、工程與科學(xué)繪圖、圖形用戶界面設(shè)計、建模和仿真、控制系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)字圖像信號處理以及財務(wù)工程等。6. 功能超強。包含600多個常用算法內(nèi)建函數(shù)，有眾多面向具體應(yīng)用的工具箱（如偏微分方程、最優(yōu)化方法、數(shù)理統(tǒng)計、樣條函數(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱等）和simulink仿真模塊。此外，其他產(chǎn)品延伸了Matlab的能力，包括數(shù)據(jù)采集和依靠Matlab語言編程產(chǎn)生獨立的C/C+代碼等等。其算法函數(shù)大多由國際知名專家完成，算法穩(wěn)定可靠、效率高。7. 具有開放式結(jié)構(gòu)，擴展功能強。Matlab的開放式結(jié)構(gòu)使Matlab產(chǎn)品族很容易針對特定的需求進行擴充。8. 支持混合編輯技術(shù)。提供與其他面向?qū)ο蟮母呒壵Z言（如VC、VB和CVF等）進行混合編程的接口。9. Matlab函數(shù)源代碼公開，有助于用戶學(xué)習(xí)和研究算法。10. 第三方公司Matlab軟件產(chǎn)品產(chǎn)品的強力支持，如femlab，可直接求解三維PDE問題。簡言之，Matlab具有非常強大的數(shù)值計算功能、圖形可視化功能和符號運算功能，且簡單易學(xué)，擴展性好，可以與其他面向?qū)ο蟮母呒壵Z言進行混合編程。2、 軟件功能主要功能如下表所示：數(shù)值分析數(shù)值和符號計算工程與科學(xué)繪圖控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真數(shù)字圖像處理數(shù)字信號處理通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真財務(wù)與金融工程Matlab的主界面如圖1所示，由菜單欄、工具欄和幾個功能窗口組成。常用的窗口有：命令窗口，用于Matlab命令的輸入和計算結(jié)構(gòu)的顯示，是最常用的用戶交互窗口；歷史窗口，用于保存用戶已輸入過得命令；當(dāng)前目錄窗口，用于顯示當(dāng)前目錄下的文件；工作窗口，用于顯示和編輯內(nèi)存中的變量。“開始”按鈕提供了Matlab的常用功能菜單。圖1 Matlab的主界面3、 具體舉例-冷卻器的最優(yōu)設(shè)計利用Matlab進行數(shù)據(jù)處理已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。化工中有很多求解最優(yōu)值的問題，最優(yōu)化方法在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用，主要涉及研究與開發(fā)中的實驗方案最優(yōu)化、化工數(shù)學(xué)模型的參數(shù)估計和辨識、化工過程優(yōu)化設(shè)計、工藝操作參數(shù)的優(yōu)化、過程優(yōu)化控制以及最優(yōu)生產(chǎn)調(diào)度等等。本文將舉例冷卻器的最優(yōu)設(shè)計問題。例題：某煉油廠需將煤油從T1=140冷卻到T2=40，煤油處理量G=3104 kg/h，冷卻介質(zhì)為水，初始溫度為t1=30，要求設(shè)計一冷卻器（逆流換熱），并使該冷卻器的年度總費用J盡可能小。已知數(shù)據(jù)：（1） 冷卻器每單位面積的總投資費用（材料費和制作費）JA=200元/m2 。（2） 冷卻器年折舊率=15%（包括維修費）。（3） 冷卻器總傳熱系數(shù)K=836.8kJ/(m2h）。（4） 冷卻器每年運行時間=8000h。（5） 冷卻水單價Jw=0.04元/噸。（6） 冷卻水比熱容cpw=4.184kJ/(kg）。（7） 煤油比熱容cpc=2.092kJ/(kg）。根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理分析可知，該冷卻系統(tǒng)存在一個最佳的冷流出口溫度使總費用最低（參見化工原理，冷流出口溫度高，則傳熱推動力小，完成規(guī)定熱負荷所需的傳熱面積打。投資費用就大，而需要的冷卻水量減小，操作費用?。Ｔ囉米顑?yōu)化方法確定該最優(yōu)冷流體出口溫度，并計算在此最優(yōu)值下冷卻器的最小年費用、冷卻器的傳熱面積、每小時冷卻水用量以及年度投資費和年度操作費各占總費用的百分比。數(shù)學(xué)模型（1） 目標(biāo)函數(shù) （1）式中，JA、JW、為已知參數(shù)；A為傳熱面積，m2；w為冷卻水用量，kg/h。（2） 關(guān)于A和w的數(shù)學(xué)模型熱平衡方程冷卻器的熱負荷為 Q=Gcpc（T1-T2） （2）由熱平衡方程Q=wcpw（t2-t1)=Gcpc（T1-T2）=KAtm，得 （3） （4）式中 （5）由（2）和（5）帶入（3）和（4），然后在帶入（1），則（1）式僅有一個未知變量t2。因此，該問題屬于單變量最優(yōu)化問題。程序說明采用Nelder-Mead單純形法函數(shù)fminsearch()進行優(yōu)化，其中TotalFee()定義目標(biāo)函數(shù)式（1），函數(shù)Area_Water()則根據(jù)式（3）和（4）求A和w。程序清單function CoolerOptDes %冷卻器的最優(yōu)化設(shè)計（Optimal Design of a Cooler）clear all；clcglobal T1 T2 G t1 JA beta K theta Jw Cw Cc QT1=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( 優(yōu)化結(jié)果：nn)fprintf(冷卻器最優(yōu)出口溫度為：%.2f%sn,t2,)allFee=TotalFee(t2); fprintf(最小年費用為：%.3f元n,allFee)A w=Area_Water(t2); fprintf(冷卻器傳熱面積為：%3fm2n,A)fprintf(每小時冷卻水用量為：%.1fkg/hn,w)fee1=JA*A*beta; fee2=Jw*theta*w/1000;fprintf(年度投資費為：%.1f元，占總費用：%.2f%sn,fee1,fee1/allFee*100,%)fprintf(年度操作費為：%.1f元，占總費用：%.2f%sn,fee2,fee2/allFee*100,%)%-function J=TotalFee(t2)global T1 T2 G t1 JA beta K theta Jw Cw Cc QA w=Area_Water(t2); J=JA*A*beta+Jw*theta*w/1000;%-functionA w=Area_Water(t2)global T1 T2 G t1 JA beta K theta Jw Cw Cc Qvar1=T1-t2; var2=T2-t1; dtm=(var1-var2)/log(var1/var2)A=Q/(K*dtm); w=Q/Cw/(t2-t1);計算結(jié)果冷卻器最優(yōu)出口溫度為92.49，最小年費用為11352.578元，冷卻器傳熱面積為207.715m2，每小時冷卻水用量為16003.5kg/h?？傎M用中，年度投資費用為6231.5元，占總費用的54.89%；年度操作費為5121.1元，占總費用的45.11%。4、 未來展望Matlab具有非常強大的數(shù)值計算功能、圖形可視化功能和符號運算功能，且簡單易學(xué)，擴展性好，可以與其他面向?qū)ο蟮母呒壵Z言進行混合編程。目前，Matlab已成為許多大學(xué)生和研究生課程中標(biāo)準(zhǔn)和重要的工具，在很多學(xué)科中表