MATLAB在化工数据处理中的应用.pdf

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1、.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：2021115134班级：化学工程与工艺.word.zl.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 Clere Maler 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 余年的改良，Matlab 已开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

2、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展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 可以进展矩阵运算、绘制函数

3、和数据、实现算法、创立用户界面、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 的根本数据单位是矩阵，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 等语言完成一样的事情简捷得多，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。在新的版本中也参加了对 C，FORTRAN，C+，JAVA 的支持。其特点如下：.word.zl.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

4、。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.

5、具有开放式构造，扩展功能强。Matlab 的开放式构造使 Matlab 产品族很容易针对特定的需求进展扩大。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等进展混合编程的接口。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展混合编程。.word.zl.二、软件功能主要功能如下表所示：数值分析数字图像处理数值和符号计算数字

6、信号处理工程与科学绘图通讯系统设计与仿真控制系统的设计与仿真财务与金融工程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 命令的输入和计算构造的显示，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。 “开场按钮提供了 Matlab 的常用功能菜单。图 1 Matlab 的主界面三、具体举例-冷却器的最优设计利用 Matlab 进展数据处理已经得到了越来越广泛的应用。化工中有很多求.word.zl.解最优值的问题，最优化方法在化工生产中的

7、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=3104kg/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。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=15%包括维修费。（3）冷却器总传热系数 K=836.8kJ/(m2h。（4）冷却器每年运行时间=8000h。（5）冷却

8、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。根据传热学的根本原理分析可知， 该冷却系统存在一个最正确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，那么传热推动力小，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。数学模型数学模型（1）目标函数.word.zl.J JA A JWw10001式中，JA、JW、

9、为参数；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=GcpcT1-T22由热平衡方程 Q=wcpwt2-t1)=GcpcT1-T2=KAtm，得w Q3cpw(t2t1)Q4KtmA （T t )(T2t1)式中tm125T1t2lnT2t1由2和5带入3和4，然后在带入1，那么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。程序说明程序说明采用 Nelder-Mead 单纯形法函数 fminsearch()进展优化， 其中 TotalFee()定义目标函数式1，函数 Area_Water()那么根据式3和4求

10、 A 和 w。程序清单程序清单function CoolerOptDes%冷却器的最优化设计Optimal Design of a Coolerclear 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(优化结果：nn).word.zl.fpri

11、ntf(冷却器最优出口温度为：%.2f%sn,t2,)allFee=TotalFee(t2);fprintf(最小年费用为：%.3f 元n,allFee)A w=Area_Water(t2); fprintf(冷却器传热面积为：%3fm2n,A)fprintf(每小时冷却水用量为：%.1fkg/hn,w)fee1=JA*A*beta; fee2=Jw*theta*w/1000;fprintf(年度投资费为：%.1f 元，占总费用：%.2f%sn,fee1,fee1/allFee*100,%)fprintf(年度操作费为：%.1f 元，占总费用：%.2f%sn,fee2,fee2/allFee*

12、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);.word.zl.word.zl.计算结果计算

13、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展混合编程。目前，.word.zl.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、研究生必须掌握的根本技能。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根底。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，20042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，2021.word.zl.