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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(hào)：2012115134班級(jí)：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(jiǎn)介Matlab軟件包最初是1967年由Clere Maler用FORTRAN語(yǔ)言設(shè)計(jì)和編寫的。1984年Mathworks公司用C語(yǔ)言完成了Matlab的商業(yè)化版本并推向市場(chǎng)。經(jīng)過20余年的改進(jìn)，Matlab已發(fā)展成為一個(gè)具有極高通用性的、帶有眾多實(shí)用工具的運(yùn)算平臺(tái)，成為國(guó)際上廣泛認(rèn)可的優(yōu)秀科學(xué)計(jì)算軟件。Matlab是matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）。是由美國(guó)Mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)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(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)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(jì)算方面首屈一指。Matlab可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)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(dá)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(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且Matlab也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使Matlab成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持。其特點(diǎn)如下：1. 支持多平臺(tái)操作系統(tǒng)（Windows、Unix等）。2. 是一種簡(jiǎn)單易學(xué)的編程語(yǔ)言。3. Matlab程序很容易維護(hù)。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(jì)算和符號(hào)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、工程與科學(xué)繪圖、圖形用戶界面設(shè)計(jì)、建模和仿真、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)字圖像信號(hào)處理以及財(cái)務(wù)工程等。6. 功能超強(qiáng)。包含600多個(gè)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(jì)、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(yǔ)言編程產(chǎn)生獨(dú)立的C/C+代碼等等。其算法函數(shù)大多由國(guó)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(kuò)展功能強(qiáng)。Matlab的開放式結(jié)構(gòu)使Matlab產(chǎn)品族很容易針對(duì)特定的需求進(jìn)行擴(kuò)充。8. 支持混合編輯技術(shù)。提供與其他面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言（如VC、VB和CVF等）進(jìn)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(qiáng)力支持，如femlab，可直接求解三維PDE問題。簡(jiǎn)言之，Matlab具有非常強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能、圖形可視化功能和符號(hào)運(yùn)算功能，且簡(jiǎn)單易學(xué)，擴(kuò)展性好，可以與其他面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言進(jìn)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(hào)計(jì)算工程與科學(xué)繪圖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真數(shù)字圖像處理數(shù)字信號(hào)處理通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真財(cái)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(gè)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(jì)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?！伴_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(jì)利用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用?；ぶ杏泻芏嗲蠼庾顑?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(shí)驗(yàn)方案最優(yōu)化、化工數(shù)學(xué)模型的參數(shù)估計(jì)和辨識(shí)、化工過程優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(jì)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(jì)一冷卻器（逆流換熱），并使該冷卻器的年度總費(fèi)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(fèi)用（材料費(fèi)和制作費(fèi)）JA=200元/m2 。（2） 冷卻器年折舊率=15%（包括維修費(fèi)）。（3） 冷卻器總傳熱系數(shù)K=836.8kJ/(m2h）。（4） 冷卻器每年運(yùn)行時(shí)間=8000h。（5） 冷卻水單價(jià)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(gè)最佳的冷流出口溫度使總費(fèi)用最低（參見化工原理，冷流出口溫度高，則傳熱推動(dòng)力小，完成規(guī)定熱負(fù)荷所需的傳熱面積打。投資費(fèi)用就大，而需要的冷卻水量減小，操作費(fèi)用?。?。試用最優(yōu)化方法確定該最優(yōu)冷流體出口溫度，并計(jì)算在此最優(yōu)值下冷卻器的最小年費(fèi)用、冷卻器的傳熱面積、每小時(shí)冷卻水用量以及年度投資費(fèi)和年度操作費(fèi)各占總費(fèi)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(fù)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(gè)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(jìn)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(jì)（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(fèi)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(shí)冷卻水用量為：%.1fkg/hn,w)fee1=JA*A*beta; fee2=Jw*theta*w/1000;fprintf(年度投資費(fèi)為：%.1f元，占總費(fèi)用：%.2f%sn,fee1,fee1/allFee*100,%)fprintf(年度操作費(fèi)為：%.1f元，占總費(fèi)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(jì)算結(jié)果冷卻器最優(yōu)出口溫度為92.49，最小年費(fèi)用為11352.578元，冷卻器傳熱面積為207.715m2，每小時(shí)冷卻水用量為16003.5kg/h?？傎M(fèi)用中，年度投資費(fèi)用為6231.5元，占總費(fèi)用的54.89%；年度操作費(fèi)為5121.1元，占總費(fèi)用的45.11%。4、 未來展望Matlab具有非常強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能、圖形可視化功能和符號(hào)運(yùn)算功能，且簡(jiǎn)單易學(xué)，擴(kuò)展性好，可以與其他面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言進(jìn)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