matlab在化學(xué)工程上的應(yīng)用(共10頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上碩士研究生課程論文（或讀書報(bào)告）課程名稱： MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用 題 目： MATLAB在化學(xué)工程中的應(yīng)用 題目類型： 課程論文 學(xué) 院： 化學(xué)工程學(xué)院 專業(yè)名稱： 化學(xué)工程 姓 名： 學(xué) 號： 任課教師： 提交時(shí)間： 2013 年 11 月 21 日 專心-專注-專業(yè) 摘要本文以在化學(xué)科研與教學(xué)遇到的各種科學(xué)計(jì)算、作圖、數(shù)據(jù)處理為核心，簡述了MATLAB在這些方面的運(yùn)用情況，及其處理數(shù)據(jù)的高效、直觀性。闡述了MATLAB在處理數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)處理軟件的不同之處，突出其優(yōu)越性。MATLAB不僅是一種方便的科學(xué)計(jì)算軟件，還是一種優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)語言。與其他語言顯著不同點(diǎn)

2、在于：1）MATLAB能夠直接對矩陣操作；2）MATLAB能夠直接使用復(fù)數(shù)。這讓其在化學(xué)數(shù)據(jù)處理方面，化學(xué)計(jì)算方面具有更見廣泛的應(yīng)用。能夠幫助廣大化學(xué)工作者輕易的解決在各化學(xué)分支遇到的各種復(fù)雜的作圖、科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理問題。 ABSTRACTBased in the chemical research and teaching the various scientific computation, mapping, data processing as the core, the MATLAB in these aspects of the application, and its data

3、processing and efficient, intuitive. Elaborated the MATLAB in the processing of data and other data processing software is different, highlighting its superiority. MATLAB is not only a convenient scientific calculation software, is a good computer language. Other languages with significantly differe

4、nt point depends on: 1) MATLAB can directly on the matrix operation;2) MATLAB can be directly used in the plural. This makes the chemical data analysis chemical calculation has more extensive application. To help the majority of chemical workers easily in the branch of chemistry that encountered in

5、a variety of complex mapping, scientific computing and data analysis.1 引言 本文通過對MATLAB在化學(xué)各分支的廣泛應(yīng)用。主要講述了MATLAB在化學(xué)方面的簡單計(jì)算、作圖、非線性方程求解、線性方程組求解、常微分方程與方程組的求解、最優(yōu)化、曲線擬合、數(shù)據(jù)分析等方面的高效應(yīng)用。系統(tǒng)的表現(xiàn)了MATLAB在化學(xué)領(lǐng)域的簡單應(yīng)用。2 MATLAB在化學(xué)工程中的應(yīng)用2.1）MATLAB與簡單的計(jì)算2.1.1)MATLAB進(jìn)行簡單的計(jì)算 例如：欲配制0.02000mol/L的K2Cr2O7的標(biāo)準(zhǔn)溶液250ml，應(yīng)稱取K2Cr2O7多少克？

6、為了完成計(jì)算，需要在MATLAB的“Command Window”窗口依次輸入圖中的所示語句。每輸入一行，敲回車，然后輸入下一行。依次輸入完圖中所述語句，最后敲回車，MATLAB將給出最后的計(jì)算結(jié)果。如下圖所示：雙大于號（）是MATLAB的提示符，當(dāng)“Command Window”窗口出現(xiàn)雙大于號（）時(shí)，表示MATLAB處于等待狀態(tài)，準(zhǔn)備執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。M、C、V和m既是變量，又是變量名，代表實(shí)際問題中某個(gè)物理量，它們能夠被賦值，賦值后可以參與各種運(yùn)算。MATLAB的變量名由字母、數(shù)字和下劃線組成，由字母打頭。如ml、ab、A_l acid _value等都是合法的變量名。等號（=）是賦值號，其

7、作用是將一定量的數(shù)值賦給變量。星號（*）在MATLAB中代表乘號，斜杠（/）在MATLAB中代表除號。請注意語句“M=29402；”和“m=C*V/1000*M”的區(qū)別，這兩個(gè)語句在本質(zhì)上是一樣的，作用是把一定的數(shù)值賦給指定變量。其區(qū)別就是前一個(gè)語句后面有分號（；）后面一個(gè)語句沒有分號，對于加有分號的賦值語句，MATLAB僅僅將數(shù)值賦給指定變量而不執(zhí)行其它操作，對于沒有分號的賦值語句，MATLAB不僅執(zhí)行賦值操作，而且還會輸出被賦值變量的數(shù)值。%是MATLAB的注釋符號，在注釋符號后面可以輸入各種說明性文本。%連同說明性文字通常用在MATLAB的一條語句后面或某一函數(shù)的開頭，說明語句或函數(shù)的作

8、用。 2.1.2)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的求解對于化學(xué)反應(yīng)： v1A + v2B v3C + v4D反應(yīng)物A、B反應(yīng)生成物C、D，現(xiàn)在要求該反應(yīng)的某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)函數(shù)的變化，如該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變。根據(jù)熱力學(xué)有關(guān)知識，求該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的式子可以寫作：Hm =VifHm對于上述反應(yīng)，可以把反應(yīng)物和生成物的計(jì)量系數(shù)組成為一個(gè)計(jì)量系數(shù)向量： 【v1 v2 v3 v4】反應(yīng)物計(jì)量系數(shù)規(guī)定為正值，生成物的計(jì)量系數(shù)規(guī)定為正值。反應(yīng)物和生成物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓相應(yīng)的也可以組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓向量：【fHm（A）fHm（B）fHm（C）fHm（D）】很明顯，根據(jù)向量點(diǎn)乘的定義和上述求該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變公式，

9、計(jì)算反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變實(shí)際上就是求反應(yīng)的計(jì)量系數(shù)向量與標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的點(diǎn)積： rHm=dot（計(jì)量系數(shù)向量，標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓向量）例如求下列反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓rHm： 2NaO2（s）+2H2O4NaOH（s）+ O2反應(yīng)計(jì)量系數(shù)向量為-2、-2、4、1，反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓向量為-513.2、-285.82、-426.73、0，此處標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的單位是千焦每摩爾。計(jì)算該反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的MATLAB的語句如下：a=-2 -2 4 1b=-513.2 -285.82 -426.73 0dela_H=dot(a,b) %標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的單位是KJ/mol敲回車，得到Delta_H=-108.

10、880這就是MATLAB在化學(xué)領(lǐng)域計(jì)算中的簡單計(jì)算，如果能夠熟練的掌握這些運(yùn)算符號很運(yùn)算方法，能節(jié)約我們大大量的計(jì)算時(shí)間。2.2）MATLAB與化學(xué)制圖 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形是極其令人愉快的，因?yàn)閿?shù)據(jù)是比較抽象的，而圖像則是比較直觀，能立即給人更多，更明確的信息。依據(jù)數(shù)據(jù)作圖，也是一種重要的數(shù)據(jù)處理方法，但以前限于條件，化學(xué)工作者只能做很簡單的圖形，對于在化學(xué)領(lǐng)域科研中遇到的較為復(fù)雜的函數(shù)或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無法將其轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形，從而丟掉一些能夠從圖形中得到的有效信息，這不能不說是一種遺憾。而MATLAB的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了這一缺陷。MATLAB具有強(qiáng)大的作圖，圖像分析與處理功能，能夠輕易地做出各種復(fù)雜函數(shù)的曲

11、線，曲面圖形和其他圖形，使得化學(xué)工作者在教學(xué)和科研中如虎添翼。利用MATLAB做一元函數(shù)曲線圖的基本函數(shù)是plot。Plot的作用是將給定的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)畫在屏幕上，并用線段將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)連起來。使用plot函數(shù)，最緊要的是給plot提供數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，使得plot能夠根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)畫出數(shù)據(jù)點(diǎn)，需要注意的是plot函數(shù)函數(shù)接受的數(shù)據(jù)點(diǎn)集的橫、縱坐標(biāo)需要分別用向量表示。則可得下圖： 圖 8-5如鍵入bar（B1（；6）則得到下圖：如鍵入contour（B1）就立即可得到等高線圖如下所示：如鍵入mesh（B）就立即可得其三維圖：以上是MATLAB軟件作圖的一些基本功

12、能，如果需要，還可以在圖中添加文本，去掉坐標(biāo)軸，移動(dòng)圖的位置等各種操作，通過這些操作。我們能更好的做出符合自己要求的圖形。2.3）數(shù)據(jù)處理某工廠采用新的廢水處理技術(shù)后，水中的某種有毒物質(zhì)的含量有以下十個(gè)數(shù)據(jù)：22、14、17、13、21、16、15、16、19、18（單位：毫克每升）以前老方法處理飛水后，該種有毒物質(zhì)的平均濃度是19，問新法是否較老法有效？這個(gè)我們就應(yīng)該借助ttest函數(shù)來完成，首先假設(shè)新法有效。輸入函數(shù)如下：h,p=ttest(x,m,alpha,right)X是向量，其中的每一分量代表一個(gè)測定數(shù)據(jù)點(diǎn)，m是要與x的真實(shí)值比較的數(shù)值，alpha代表小事件概率，一般認(rèn)為alpha

13、=0.05時(shí)，該事件就是小概率事件，字符right代表對假設(shè)x的真實(shí)值m小于或等于計(jì)算概率p。自然，如果palpha，就否定假設(shè)。設(shè)計(jì)代碼如下：X=22,14,17, 13,21,16,15,16,19,18M=19h,p=ttestx,m,0.05,rightP結(jié)果是：p=0.9650由于palpha=0.05，因此我們不能否定假設(shè)，即新法較老法有效。這種只是其中的一種，只要熟練掌握，就能更高的運(yùn)用MATLAB處理數(shù)據(jù)，使得實(shí)驗(yàn)跟科研更為方便。2.4）MATLAB在化工模擬中的計(jì)算 2.4.1）MATLAB擬合函數(shù)ployfit的應(yīng)用要計(jì)算轉(zhuǎn)化器數(shù)學(xué)模型中混合氣體的平均熱容，需用MATLAB

14、的擬合函數(shù)ployfit來編寫M函數(shù)文件，以求取不同溫度下各氣體的平均熱容，其中氣體熱容是溫度的函數(shù)，需編寫函數(shù)文件CPm，以供隨時(shí)調(diào)用。具體程序如下：function c=cP(a'b，c) 求解熱容的M函數(shù)文件globalt 定義全局變量c=a+b*tc水t2； 熱容表達(dá)式以后在其他程序中可以隨時(shí)調(diào)用該函數(shù)，其調(diào)用格式為：C，=cP(a，b，c) a，b，c為氣體熱容擬合公式中的對應(yīng)數(shù)據(jù) 2.4.2）MATLAB常微分方程組求解函數(shù)ODE的應(yīng)用MATLAB提供了多個(gè)求解常微分方程組的功能函數(shù)，由于上述常微分方程組為一剛性方程組，所以選用odel5s函數(shù)來求解。編寫表征常微分方程組的

15、ode函數(shù)funm如下：function xdot=fun(z，y) S02轉(zhuǎn)化反應(yīng)器催化床層的模擬計(jì)算ode子程序global x F t yl y2 y3 y4 y5 y6 TF k0 Cx=y(1)；t=y(2)；rr=224術(shù)pb木ry：o，；xdot(1)=TF* c*rruo； 物料衡算方程xdot(2)=H*yso2*xdot(1)cp(1一o5冰y：。，術(shù)x)； 能量衡算方程；xdot=xdot； 微分方程組注：中間省略部分為yi、r、H、cpm的計(jì)算表達(dá)式。z，y=odel5s(fun，0 z，)，0)； “o z”為積分區(qū)間，y0為初始條件在MATLAB指令窗口中運(yùn)行mai

16、nm即可得到相應(yīng)數(shù)值解。2.4.3）MATLAB多變量尋優(yōu)函數(shù)fminsearch的應(yīng)用為了對k和C進(jìn)行估值，上述問題就成為以各段反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和出口溫度的模擬計(jì)算值與工業(yè)設(shè)計(jì)值間誤差平方和為目標(biāo)函數(shù)的多變量尋優(yōu)問題。MATLAB提供了相關(guān)函數(shù)fminsearch進(jìn)行多變量尋優(yōu)，同時(shí)編寫對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)M文件(fm)來進(jìn)行搜索，以求得和c的最佳值。目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為：廠=mina；(y。一y)2，y；為各段轉(zhuǎn)化率或出口溫度的計(jì)算值，)，為各段轉(zhuǎn)化率或出口溫度的工業(yè)設(shè)計(jì)值。由于轉(zhuǎn)化率與出口溫度數(shù)量級不同，需加入不同的權(quán)因子a，。計(jì)算時(shí)先給定后。和各段校正系數(shù)c的初值，輸入反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和溫度的進(jìn)口值，利用

17、MATLAB中的ode函數(shù)解上述微分方程組，得到各段出口溫度和轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值。具體求解過程為：g=fminsearch(f7，7800，04，058，07) 7800，04，058，07為初值給定3 結(jié)論與建議在化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)中用Matlab軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是很有必要的。每一次實(shí)驗(yàn)都有大量的數(shù)據(jù)要處理，我們只要處理自己的原始數(shù)據(jù)，但教師在批改時(shí)就要把我們所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都要計(jì)算，這個(gè)工作量是很大的。有了數(shù)據(jù)處理程序，教師只需要輸入原始數(shù)據(jù)，運(yùn)行程序后，就可了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)是否做得好、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果是否準(zhǔn)確，這就可以節(jié)省很多的時(shí)間。在實(shí)際工程中，需要處理的數(shù)據(jù)更多，計(jì)算公式更加復(fù)雜，有時(shí)

18、為了導(dǎo)出計(jì)算公式，還需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，手工計(jì)算基本是不可能完成的。因此，把Matlab軟件應(yīng)用到化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理是十分必要的。MATIAB在國內(nèi)化學(xué)化工領(lǐng)域的應(yīng)用研究起步較晚，大多集中在計(jì)算、模擬以及化學(xué)信息學(xué)方面，且處于探索階段，隨著應(yīng)用研究的深入，除繼續(xù)在計(jì)算、模擬等方面的應(yīng)用外，在以下方面的應(yīng)用研究有待加強(qiáng)：(1)在以前工作的基礎(chǔ)上，在解決化工過程的設(shè)計(jì)、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、化工生產(chǎn)的調(diào)度、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、配方設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的配送等問題上能夠發(fā)揮作用。(2)綜合利用各種丁具箱，如將數(shù)據(jù)庫工具箱和統(tǒng)計(jì)工具箱結(jié)合使用，處理海量的化合物數(shù)據(jù)更有效，揭示蘊(yùn)含的規(guī)律。(3)結(jié)合MATIAB強(qiáng)大的計(jì)算與其它高級語言設(shè)計(jì)的靈活性，編制出能夠脫離MATLAB環(huán)境的化學(xué)、化工計(jì)算、模擬以及教學(xué)的專用軟件，克服MATIAB語言的解釋性，速度慢，且離不開MATIAB環(huán)境，隨著MATLAB的發(fā)展，對系統(tǒng)的要求越來越高，價(jià)格越來越昂貴，如何才有利于在同內(nèi)推廣。 (4) MATLAB可以進(jìn)行運(yùn)算、繪制和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)、創(chuàng)建用戶界面、連接其他的程序等，應(yīng)用于