MATLAB在化學工程與工藝實驗數據處理中的應用探討

摘要：隨著科技的不斷發展與進步，MATLAB軟件開始在化學工程與工藝實驗數據處理中應用開來。因為傳統的數據處理方式十分繁瑣，因此MATLAB軟件的出現彌補了傳統化工實驗數據的數據處理缺陷，提高了化工實驗數據的處理效率。文章通過研究MATLAB軟件在化學工程與工藝實驗數據處理中的應用，分析其處理數據的優勢與特點。

關鍵詞：化學工程與工藝實驗；數據處理；MATLAB軟件；化工實驗數據；化學實驗 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，其主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統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境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領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非交互式程序設計語言的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。近年來MATLAB軟件逐漸被用于化學工程與工藝實驗的數據處理中，極大地提高了數據處理的效率。

2 化學工程與工藝實驗數據處理

化學工程與工藝實驗不同于普通的化學實驗只重視一個原理的求證，它的目的是為了解決工業中的化工問題，其特點主要有實驗時間長、實驗規模大和實驗數據處理繁雜等。在整個化學工程與工藝實驗里數據處理是必不可少的階段，也是印證化學實驗成果是否行之有效的必要手段，但是由于實驗數據過于龐大，實驗當中相關的參數關系大多是非線性的，單單依靠傳統的手工計算不僅速度慢，還容易出現計算失誤的情況，根本無法滿足實際的需求，因此，將MATLAB軟件融入實驗數據的處理中刻不容緩，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，讓實驗數據的準確性達到最高值，避免誤差的產生。以下通過研究兩個化學工程與工藝實驗，分析MATLAB軟件在處理實驗數據時與傳統的手工計算有什么優勢和便利。

3 化學工程與工藝實驗數據處理設計

3.1 數據處理的程序框架

因為每一個化學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公式也不盡相同，不可能以一個程序來概括，但是經過大量的實驗研究和總結，發現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 數據處理的程序編制

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

3.2.2 處理和作圖?；瘜W工程與工藝實驗中得到的數據時常會存在離散的情況，必須經由多種擬合的方法將它們結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，因此本實驗設計中的擬合方式也采用最小二乘法的方式。

設實驗的離散數據（x1，y1）通過最小二乘法將其擬合成因變量y，自變量x，輸入的函數關系為y=f（x），函數關系的主要思路是讓離散數據中的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據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y=f（x）必須經過全部的離散數據（x1，y1），但是殘差平方和必須達到最小值。根據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據處理中的擬合應用需求。

在化學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，在經過特定的計算之后得出摩擦系數（λ）和雷諾準數（Re）的離散數據，再同理，經過最小二乘法擬合出連續的曲線，并根據其畫出相對應的圖形。因為摩擦系數（λ）和雷諾準數（Re）屬于成雙對數函數，則：

λ=aReb+c （1）

當a，b，c是常數時，則可以設c=0：

λ=aReb （2）

因為λ與Re屬于成雙對數函數，則：

Logλ=blogRe+loga （3）

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

原理。

3.2.3 建立數據庫。因為經過上述的設計，化學工程與工藝實驗數據處理只能得知在特定的溫度下（比如10℃、20℃以及30℃等）實驗的物性數據，但

是在實際的生產中，工業生產所涉及的溫度多變，不單單只停留在設計好的溫度當中，因此，這就需要我們在數據中選擇最相近的數據，假設它們屬于線性的關系，再利用內插或者外推的方式計算出實驗的物性數據常數。在本文的化工實驗中，編寫的程序已經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據庫，在工作中只需將溫度輸入進系統，則程序可以自動跳出在特定溫度下的物性數據，提高數據處理效率。

3.3 程序的運行

在編制完成化學工程與工藝實驗的數據處理程序，且建立數據庫之后，便應該輸入數據以驗證程序是否能有效地處理實驗數據。在化學工程與工藝實驗的數據處理中，MATLAB軟件的應用是十分重要的，經過實驗可知，在化工實驗當中會出現大量的離散數據，必須經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據之后，在查看實驗當中還要將化工實驗數據重新計算一次，看結果是否與原先的計算結果相同，工作量十分重，但是如果運用MATLAB軟件則大大降低了數據處理難度，只要在MATLAB軟件中輸入相應的化工實驗數據，就可以得到結果，節省了時間，提高了工作效率。

4 結語

在實際的應用中，化學工程與工藝實驗所要處理的數據十分龐大，而且涉及的計算公式也十分多，甚至很多時候為了將數據的計算公式導出來還要建立復雜的模型，一旦有一個步驟出現差錯則會直接影響到實驗的成果，如果使用傳統的手工計算方式，為了避免差錯則必須對每一個數據處理環節進行反復計算，降低了工作效率，因此MATLAB軟件的應用對于化學工程與工藝實驗的數據處理十分重要，它不僅將復雜的計算變得簡單，也讓事后的實驗驗證效率得到提高，促進了化工實驗的

發展。

參考文獻

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作者簡介：李世英（1972-），男，內蒙古烏海人，內蒙古蒙西建設集團有限公司鋼結構分公司化學工程工程師，研究方向：化學工程。

（責任編輯：秦遜玉）