数学建模论文Word文件下载.docx
《数学建模论文Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《数学建模论文Word文件下载.docx(24页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
5、R------------球罐体的半径
6、k------------相同储油量时未变位和纵向变位油面高度差与变位角度α的比例系数
五、模型的建立与求解
5.1储油罐储油量与油面高度之间的数学模型
通过对问题的分析,我们试图找到罐体无变位时储油量与油面高度和罐体变位时储油量与油面高度的一种函数关系。
为此,我们将附件1中的数据录入到计算机中,并进行曲线拟合,分别建立不同的回归方程,结果发现二次曲线的拟合度最高(见图1)。
无变位数据散点图
变位后数据散点图
图1
然后我们把进油和出油这两种不同的情形的数据录入到一个图形中,发现图形基本吻合,因此,我们可以用进油的数据得出储油量和油面高度的曲线方程:
无变位时:
V=-4.822e-004*h^2+4.498*h-515.4①
变位时:
V=-5.287e-005*h^2+4.255*h-806②
根据表达式,我们画出无变位和变位时曲线方程的图形(见图2),
图2进油实验散点图比较
由图形可以看出,当罐容值相同时,变位后的油面高度偏高,并且当油面高度趋近于零时,储油量为负值。
这是因为油管下方距罐底还有一定距离。
当油面低于油管下部时,外界无法获取油,因此认定此时油罐已空,而事实上罐内还存有油。
我们根据无变位时储油量与油面高度的关系式标注倾斜角为α=4.1。
纵向变位时油面高度间隔为1cm的罐容表标定值。
表1高度间隔为1cm的罐容表标定值
油位高度(mm)
变位前标定值(L)
变位后标定值(L)
-515.406
-805.978
10
-470.469
-763.429
20
-425.629
-720.892
30
-380.885
-678.364
40
-336.238
-635.848
50
-291.687
-593.342
60
-247.232
-550.846
70
-202.874
-508.361
80
-158.613
-465.887
90
-114.448
-423.423
100
-70.3789
-380.97
110
-26.4067
-338.527
120
17.4691
-296.095
130
61.2485
-253.673
140
104.931
-211.262
150
148.518
-168.862
160
192.008
-126.472
170
235.401
-84.093
180
278.699
-41.7244
190
321.899
0.633672
200
365.004
42.9812
210
408.011
85.3181
220
450.923
127.644
230
493.738
169.96
240
536.456
212.265
250
579.078
254.56
260
621.604
296.844
270
664.033
339.118
280
706.366
381.381
290
748.602
423.633
300
790.742
465.875
310
832.785
508.106
320
874.732
550.326
330
916.583
592.537
340
958.337
634.736
350
999.994
676.925
360
1041.56
719.103
370
1083.02
761.271
380
1124.39
803.428
390
1165.66
845.575
400
1206.84
887.711
410
1247.91
929.836
420
1288.9
971.951
430
1329.78
1014.06
440
1370.57
1056.15
450
1411.27
1098.23
460
1451.86
1140.31
470
1492.36
1182.37
480
1532.77
1224.42
490
1573.07
1266.46
500
1613.29
1308.49
510
1653.4
1350.51
520
1693.42
1392.52
530
1733.34
1434.52
540
1773.17
1476.51
550
1812.89
1518.48
560
1852.53
1560.45
570
1892.06
1602.41
580
1931.5
1644.35
590
1970.85
1686.29
600
2010.09
1728.21
610
2049.24
1770.13
620
2088.3
1812.03
630
2127.25
1853.92
640
2166.11
1895.8
650
2204.88
1937.68
660
2243.55
1979.54
670
2282.12
2021.39
680
2320.59
2063.23
690
2358.97
2105.06
700
2397.25
2146.88
710
2435.44
2188.68
720
2473.53
2230.48
730
2511.52
2272.27
740
2549.42
2314.05
750
2587.22
2355.81
760
2624.92
2397.57
770
2662.53
2439.31
780
2700.04
2481.05
790
2737.45
2522.77
800
2774.77
2564.48
810
2811.99
2606.18
820
2849.12
2647.88
830
2886.15
2689.56
840
2923.08
2731.23
850
2959.91
2772.89
860
2996.65
2814.54
870
3033.29
2856.18
880
3069.84
2897.81
890
3106.29
2939.42
900
3142.64
2981.03
910
3178.9
3022.63
920
3215.06
3064.22
930
3251.13
3105.79
940
3287.09
3147.36
950
3322.96
3188.91
960
3358.74
3230.45
970
3394.42
3271.99
980
3430
3313.51
990
3465.48
3355.02
1000
3500.87
3396.52
1010
3536.17
3438.02
1020
3571.36
3479.5
1030
3606.46
3520.97
1040
3641.46
3562.43
1050
3676.37
3603.87
1060
3711.18
3645.31
1070
3745.9
3686.74
1080
3780.51
3728.16
1090
3815.03
3769.56
1100
3849.46
3810.96
1110
3883.79
3852.34
1120
3918.02
3893.72
1130
3952.15
3935.08
1140
3986.19
3976.44
1150
4020.13
4017.78
1160
4053.98
4059.11
1170
4087.73
4100.43
1180
4121.38
4141.75
1190
4154.94
4183.05
1200
4188.4
4224.34
然后我们对这两个曲线方程进行分析,试图找到在相同储油量的情况下,无变位时油面高度和有变位时油面高度以及倾斜角之间的关系。
我们求出21组不同储油量情形下对应的油面高度(见表2),对数据进行分析,发现高度差基本为一定值,Δh=65.7。
很明显,这是因为倾斜角的影响,即Δh=k·
α。
因此可以得到比例系数k=16.02。
表2储油量相同时油面高度比较
储油量(L)
无变位油面高度(mm)
变位油面高度(mm)
平均高度差Δh(mm)
312
187.8
264
65.7
462
222.7
299
612
257.9
335
762
293.3
912
329.1
406
1062
365.1
441
1212
401.5
477
1362
438.2
513
1512
475.1
549
1662
512.5
584
1812
550.1
1962
588.1
656
2112
626.5
692
2262
665.2
728
2365.83
691.9
752
2467.06
718.4
779
2617.06
758.0
813
2718.83
785.1
837
2868.83
825.4
876
3018.83
866.2
909
3168.83
907.3
945
5.2罐体变位后标定罐容表的数学模型
我们先看只发生纵向倾斜(倾斜角为α)的情况。
由上面的分析,我们可以得到在相同的储油量时纵向倾斜时油面高度h纵与未变位时油面高度h未的关系式:
h纵-h未=Δh③
又Δh=k·
α,④
又k在上面已经求出,k=16.02
我们再在发生纵向倾斜的基础上再发生横向倾斜(倾斜角为β)的情况。
由分析知,我们可以得到
⑤
由①和②
得
⑥
⑦
⑧
⑨
又由于
,(-1.5<
z<
1.5)很难积分,而
近似值为0.89,多以做出
的图像与
图像
利用MATLAB做出以下图像
图3图像比较
由图像知二者基本等效。
最后求V=H(h未,α,β),具体关系为
⑩
最后我们来求α,β的值
我们预先能确定α,β的取值范围,在其取值范围内取一定步长,α,β都以该步长变化,求在不同高度下体积的变化情况,直到找到体积改变与附件2中出油量数据基本相同时,确定此时α,β的值,之后将α,β的值代入V=H(h未,α,β)中,得到只有体积与液面高度的函数关系式V=H(h未),于是对附件2上给出的油面高度,我们可求得此时油罐内储油量。
再通过储油量计算出每一次从油罐内抽出油的体积,并将此体积与实际值进行比较,来对未知参数α,β进行验证。
我们从附录2中随机取5组数据,如表3所示。
表3随机抽取5组数据
组别
第一组
第二组
第三组
第四组
第五组
表中位置
(2,3)
(17,18)
(36,37)
(78,79)
(311,312)
液面测量高度
(2632.23,
2624.30)
(2528.01,
2521.63)
(2382.50,
2374.35)
(2063.17,
2058.14)
(2449.29,
2439.11)
输入到程序[7]中,算出α=3.61,β=2.41。
求得α,β的值后,将其代入储油量与油位高度及变位参数α,β的关系式中,再将附表2中的显示油高输入到程序中求得对应的储油量,求得每一时刻抽出或注入的油量。
5.3油位高度间隔为10cm的罐容表标定
设初始测得油面高度为470mm,以每次增加高度10cm,代入模型,计算出其对应的油容量,计算到高度为2570mm为止。
代入模型计算得到罐容表见下表4:
表4变位后间隔10cm标定罐容表
序号
油面高度/mm
储油量/L
1
4187.1
9
1270
22268
17
2070
43746
2
5917.9
1370
24943
18
2170
46265
3
7856.7
11
1470
27650
19
2270
48697
4
9968
12
1570
30375
2370
51024
5
12224
13
1670
33103
21
2470
53227
6
14602
14
1770
35818
22
2570
55288
7
17081
15
1870
38507
8
19652
16
1970
41155
六、模型评价
此模型具有实用价值,简单易行,能较快的对储油罐变位识别和罐容表标定,避免了对油罐复杂容积的计算。
对加油站的实际操作具有指点意义。
参考资料
[1]姜启源、谢金星,《数学模型》,北京,高等教育出版社,2003年。
[2]叶其孝,《大学生数学建模竞赛辅导》,湖南教育出版社,1993年。
[3]周品,《MATLAB数值分析》,机械工业出版社,2009年。
附录1
无变量出油求和进油散点图的程序:
>
h=[159.02176.14192.59208.50223.93238.97253.66268.04282.16296.03309.69323.15336.44349.57362.56375.42388.16400.79413.32425.76438.12450.40462.62474.78486.89498.95510.97522.95534.90546.82558.72570.61582.48594.35606.22618.09629.96641.85653.75665.67677.63678.54690.53690.82702.85714.91727.03739.19751.42763.70764.16776.53788.99801.54814.19826.95839.83852.84866.00879.32892.82892.84906.53920.45934.61949.05963.80978.91994.431010.431026.991044.251062.371081.591102.331125.321152.361193.49];
v=[3123624124625125626126627127628128629129621012106211121162121212621312136214121462151215621612166217121762181218621912196220122062211221622212226223122315.832365.832367.062417.062467.062517.062567.062617.062666.982668.832718.832768.832818.832868.832918.832968.833018.833068.833118.833168.833168.913218.913268.913318.913368.913418.913468.913518.913568.913618.913668.913718.913768.913818.913868.913918.913968.91];
h1=[142.62160.48177.54193.94209.81225.21240.21254.88269.24283.33297.18310.82324.27337.55350.67363.64376.49389.22401.84414.36426.80439.15451.43463.65475.80487.90499.96511.97523.95535.90547.82559.72571.61583.48595.35607.21619.08630.96642.84654.75666.68678.63690.61702.64714.70726.81738.98751.21763.51775.88788.33800.87813.52826.27839.14852.15865.30878.61892.10905.78919.69933.84948.26962.99978.08993.571009.541026.081043.291061.361080.511101.151123.991150.72];
v1=[314.72364.72414.72464.72514.72564.72614.72664.72714.72764.72814.72864.72914.72964.721014.721064.721114.721164.721214.721264.721314.721364.721414.721464.721514.721564.721614.721664.721714.721764.721814.721864.721914.721964.722014.722064.722114.722164.722214.722264.722314.722364.722414.722464.722514.722564.722614.72266