MATLAB在化學(xué)工程與工藝實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用探討

摘要：隨著科技的不斷發(fā)展與進步，MATLAB軟件開始在化學(xué)工程與工藝實驗數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用開來。因為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式十分繁瑣，因此MATLAB軟件的出現(xiàn)彌補了傳統(tǒng)化工實驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理缺陷，提高了化工實驗數(shù)據(jù)的處理效率。文章通過研究MATLAB軟件在化學(xué)工程與工藝實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用，分析其處理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢與特點。

關(guān)鍵詞：化學(xué)工程與工藝實驗；數(shù)據(jù)處理；MATLAB軟件；化工實驗數(shù)據(jù)；化學(xué)實驗 文獻標識碼：A

中圖分類號：O652 文章編號：1009-2374（2015）09-0059-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0785

1 MATLAB軟件

MATLAB軟件最早由美國的Mathworks公司提出，其主要面對科學(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。近年來MATLAB軟件逐漸被用于化學(xué)工程與工藝實驗的數(shù)據(jù)處理中，極大地提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

2 化學(xué)工程與工藝實驗數(shù)據(jù)處理

化學(xué)工程與工藝實驗不同于普通的化學(xué)實驗只重視一個原理的求證，它的目的是為了解決工業(yè)中的化工問題，其特點主要有實驗時間長、實驗規(guī)模大和實驗數(shù)據(jù)處理繁雜等。在整個化學(xué)工程與工藝實驗里數(shù)據(jù)處理是必不可少的階段，也是印證化學(xué)實驗成果是否行之有效的必要手段，但是由于實驗數(shù)據(jù)過于龐大，實驗當(dāng)中相關(guān)的參數(shù)關(guān)系大多是非線性的，單單依靠傳統(tǒng)的手工計算不僅速度慢，還容易出現(xiàn)計算失誤的情況，根本無法滿足實際的需求，因此，將MATLAB軟件融入實驗數(shù)據(jù)的處理中刻不容緩，它能有效地將繁瑣的計算步驟化解成簡單的計算，提高工作效率，讓實驗數(shù)據(jù)的準確性達到最高值，避免誤差的產(chǎn)生。以下通過研究兩個化學(xué)工程與工藝實驗，分析MATLAB軟件在處理實驗數(shù)據(jù)時與傳統(tǒng)的手工計算有什么優(yōu)勢和便利。

3 化學(xué)工程與工藝實驗數(shù)據(jù)處理設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)處理的程序框架

因為每一個化學(xué)工程與工藝實驗的目的都不相同，因此其處理的步驟以及涉及的化學(xué)公式也不盡相同，不可能以一個程序來概括，但是經(jīng)過大量的實驗研究和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)不同的化工實驗中都會有其相似之處，它們都可以由圖1來概述：

圖1

3.2 數(shù)據(jù)處理的程序編制

3.2.1 數(shù)據(jù)輸入。化學(xué)工程與工藝實驗的數(shù)據(jù)輸入主要依靠提示的函數(shù)input實現(xiàn)，比如以溫度為例子，則其輸入函數(shù)為：t=input（‘請輸入實驗的溫度（攝氏度）：），其中輸入函數(shù)大多是以矩陣的輸入形式為主。

3.2.2 處理和作圖。化學(xué)工程與工藝實驗中得到的數(shù)據(jù)時常會存在離散的情況，必須經(jīng)由多種擬合的方法將它們結(jié)合成一條或多條連合的曲線，而其中最常用的擬合方式是最小二乘法，因此本實驗設(shè)計中的擬合方式也采用最小二乘法的方式。

設(shè)實驗的離散數(shù)據(jù)（x1，y1）通過最小二乘法將其擬合成因變量y，自變量x，輸入的函數(shù)關(guān)系為y=f（x），函數(shù)關(guān)系的主要思路是讓離散數(shù)據(jù)中的x1的殘差平方以及Σ（f（x1）-y1）2達到最小值。因為在得出化工實驗數(shù)據(jù)中多少會因為外界的因素存在著一些誤差，因此最小二乘法可以無需使輸入函數(shù)y=f（x）必須經(jīng)過全部的離散數(shù)據(jù)（x1，y1），但是殘差平方和必須達到最小值。根據(jù)最小二乘法的擬合方法可知，最小二乘法可以滿足化工實驗數(shù)據(jù)處理中的擬合應(yīng)用需求。

在化學(xué)工程與工藝實驗中會涉及到流體的流動阻力研究，研究主要是通過測試流體的流動阻力，在經(jīng)過特定的計算之后得出摩擦系數(shù)（λ）和雷諾準數(shù)（Re）的離散數(shù)據(jù)，再同理，經(jīng)過最小二乘法擬合出連續(xù)的曲線，并根據(jù)其畫出相對應(yīng)的圖形。因為摩擦系數(shù)（λ）和雷諾準數(shù)（Re）屬于成雙對數(shù)函數(shù)，則：

λ=aReb+c （1）

當(dāng)a，b，c是常數(shù)時，則可以設(shè)c=0：

λ=aReb （2）

因為λ與Re屬于成雙對數(shù)函數(shù)，則：

Logλ=blogRe+loga （3）

得出上述式子之后可以將MATLAB里的函數(shù)polyfit（）進行線性的擬合，以作為化工數(shù)據(jù)處理的程序

原理。

3.2.3 建立數(shù)據(jù)庫。因為經(jīng)過上述的設(shè)計，化學(xué)工程與工藝實驗數(shù)據(jù)處理只能得知在特定的溫度下（比如10℃、20℃以及30℃等）實驗的物性數(shù)據(jù)，但

是在實際的生產(chǎn)中，工業(yè)生產(chǎn)所涉及的溫度多變，不單單只停留在設(shè)計好的溫度當(dāng)中，因此，這就需要我們在數(shù)據(jù)中選擇最相近的數(shù)據(jù)，假設(shè)它們屬于線性的關(guān)系，再利用內(nèi)插或者外推的方式計算出實驗的物性數(shù)據(jù)常數(shù)。在本文的化工實驗中，編寫的程序已經(jīng)將實驗溫度和密度以及實驗的溫度與黏度進行多次的實驗擬合，建立出了一個相對完整的數(shù)據(jù)庫，在工作中只需將溫度輸入進系統(tǒng)，則程序可以自動跳出在特定溫度下的物性數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)處理效率。

3.3 程序的運行

在編制完成化學(xué)工程與工藝實驗的數(shù)據(jù)處理程序，且建立數(shù)據(jù)庫之后，便應(yīng)該輸入數(shù)據(jù)以驗證程序是否能有效地處理實驗數(shù)據(jù)。在化學(xué)工程與工藝實驗的數(shù)據(jù)處理中，MATLAB軟件的應(yīng)用是十分重要的，經(jīng)過實驗可知，在化工實驗當(dāng)中會出現(xiàn)大量的離散數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過擬合的方式進行處理，其處理過程中不僅工作量大，而且十分繁瑣，一旦出現(xiàn)差錯則必須重新推翻重來，浪費大量的人力物力資源，而且在處理好實驗數(shù)據(jù)之后，在查看實驗當(dāng)中還要將化工實驗數(shù)據(jù)重新計算一次，看結(jié)果是否與原先的計算結(jié)果相同，工作量十分重，但是如果運用MATLAB軟件則大大降低了數(shù)據(jù)處理難度，只要在MATLAB軟件中輸入相應(yīng)的化工實驗數(shù)據(jù)，就可以得到結(jié)果，節(jié)省了時間，提高了工作效率。

4 結(jié)語

在實際的應(yīng)用中，化學(xué)工程與工藝實驗所要處理的數(shù)據(jù)十分龐大，而且涉及的計算公式也十分多，甚至很多時候為了將數(shù)據(jù)的計算公式導(dǎo)出來還要建立復(fù)雜的模型，一旦有一個步驟出現(xiàn)差錯則會直接影響到實驗的成果，如果使用傳統(tǒng)的手工計算方式，為了避免差錯則必須對每一個數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)進行反復(fù)計算，降低了工作效率，因此MATLAB軟件的應(yīng)用對于化學(xué)工程與工藝實驗的數(shù)據(jù)處理十分重要，它不僅將復(fù)雜的計算變得簡單，也讓事后的實驗驗證效率得到提高，促進了化工實驗的

發(fā)展。

參考文獻

[1] 趙新強，謝英慧，曹吉林，李國玲.化學(xué)工程與工藝教學(xué)實踐[J].河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報，2014，6（1）.

[2] 韓正.計算機引發(fā)化學(xué)工程革命[J].發(fā)明與創(chuàng)新（綜合科技），2013，12（1）.

[3] 房鼎業(yè)，等.化學(xué)工程與工藝專業(yè)實驗[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

作者簡介：李世英（1972-），男，內(nèi)蒙古烏海人，內(nèi)蒙古蒙西建設(shè)集團有限公司鋼結(jié)構(gòu)分公司化學(xué)工程工程師，研究方向：化學(xué)工程。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）