数学建模全国一等奖作品.doc
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1、2021年 全 国 大 学 生数 学 建 模 竞 赛储油罐的变位识别与罐容表标定2021高教社杯全国大学生数学建模竞赛承 诺 书我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规那么我们完全明白,在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式包括 、电子邮件、网上咨询等与队外的任何人包括指导教师研究、讨论与赛题有关的问题我们知道,抄袭别人的成果是违反竞赛规那么的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料包括网上查到的资料,必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出我们郑重承诺,严格遵守竞赛规那么,以保证竞赛的公正、公平性如有违反竞赛规那么的行为,我们将受到严肃处理我们参赛选择的题号是从A/B/
2、C/D中选择一项填写: A 我们的参赛报名号为如果赛区设置报名号的话: 所属学校请填写完整的全赛区评阅编号由赛区组委会评阅前进行编号:2021高教社杯全国大学生数学建模竞赛编 号 专 用 页赛区评阅编号由赛区组委会评阅前进行编号:赛区评阅记录可供赛区评阅时使用:评阅人评分备注全国统一编号由赛区组委会送交全国前编号:全国评阅编号由全国组委会评阅前进行编号:储油罐的变位识别与罐容表标定摘 要加油站储油罐罐容表的精确度直接关系到加油站的经济利益,然而由于地基变形等原因,罐体的位置会发生纵向倾斜和横向偏转等变化,从而导致罐容表发生改变,影响其精度本文要解决的就是储油罐的变位识别与罐容表标定的问题其中罐
3、容表的标定,就是建立罐内油位高度与储油量的关系对此,我们应用微积分及空间解析几何理论的相关知识,建立油罐体积函数模型对于储油罐的变位识别问题,我们借助已建立的函数模型,用实际的油位高度确定理论储油量和变位参数值,并将理论储油量与实际测出的储油量采用最小二乘法进行拟合,然后通过拟合系数来判断模型的准确性对问题(1),储油罐有无变位和纵向变位这两种情况,均要建立油罐体积积分函数模型,并运用matlab软件求解模型,且将求解结果采用最小二乘法拟合,分析结果说明理论结果与数据模拟结果相吻合最小二乘法拟合分析时也说明了模型求解中存在误差,从而以此为根底对模型进行修正,并得出罐容标定值表(见表一) 对问题
4、(2),同样建立建立油罐体积积分函数模型,采用离差平方和的算法并运用matlab软件确定了变位参数的值为以此为根底给出罐体变位后罐容表标定值表(见表三)对问题一和二的模型做误差分析和修正后所得的结果显示,我们所建立的模型能很好的与实际情况相吻合,其吻合系数到达0.9996最后我们还对模型进行了正确性验证与方法可靠性检验,并结合实际情况和应用价值对模型进行了改良与推广 关键词 微积分;变位识别;小二乘拟合;误差;标定值一、问题重述通常加油站都有假设干个储存燃油的地下储油罐,并且一般都有与之配套的“油位计量管理系统,采用流量计和油位计来测量进/出油量与罐内油位高度等数据,通过预先标定的罐容表(即罐
5、内油位高度与储油量的对应关系)进行实时计算,以得到罐内油位高度和储油量的变化情况许多储油罐在使用一段时间后,由于地基变形等原因,使罐体的位置会发生纵向倾斜和横向偏转等变化(以下称为变位),从而导致罐容表发生改变按照有关规定,需要定期对罐容表进行重新标定一种典型的储油罐其主体为圆柱体,两端为球冠体现需要用数学建模方法研究解决储油罐的变位识别与罐容表标定的问题 1为了掌握罐体变位后对罐容表的影响,利用小椭圆型储油罐(两端平头的椭圆柱体),分别对罐体无变位和倾斜角为a=410的纵向变位两种情况做了实验,实验数据如附录一所示现需要建立数学模型研究罐体变位后对罐容表的影响,并给出罐体变位后油位高度间隔为
6、1cm的罐容表标定值2对于主体为圆柱体,两端为球冠体的储油罐,试建立罐体变位后标定罐容表的数学模型,即罐内储油量与油位高度及变位参数(纵向倾斜角度a和横向偏转角度b )之间的一般关系利用罐体变位后在进/出油过程中的实际检测数据附录二,根据所建立的数学模型确定变位参数,并给出罐体变位后油位高度间隔为10cm的罐容表标定值进一步利用附录二中的实际检测数据来分析检验模型的正确性与方法的可靠性二、问题分析2.1 问题一的分析通常情况下,我们都可以通过油位计管理系统来标定罐容表,即通过测量进/出油量与罐内油位高度得到储油量的变化情况但是储油罐在使用一段时间后,由于地基变形等原因,罐体的位置会发生纵向倾斜
7、和横向偏转,导致罐容表测量值发生改变,这就需要我们定期对罐容表进行重新标定.对罐容表进行重新标定前,首先我们必须判定油罐是否发生变位,即将测量的进出口油量实际值与罐体位置未发生变位时的理论值进行差分拟合,当读数误差到达一定值时,就可以判定罐体的位置是发生了变位而对罐体无变位时罐容表的识别,可以通过对罐体的几何结构进行分析计算,确定罐体无变位时储油量与可测油位高度之间的函数关系其次必须解决变位后罐容表如何重新标定的问题要解决上述问题,我们必须先建立的函数模型.在建立的函数模型过程中,我们参照了高等数学微积分1的相关知识,采用微元的思想得出模型.2.2 问题二的分析实际情况中,储油罐不单单只发生纵
8、向倾斜,纵向和横向倾斜也应考虑,所以该问题中的情形比问题一更具有实际意义.该问题是在问题一的根底之上增加了对横向倾角的考虑,也就是要求我们同时考虑三个变量对储油量的影响,建立.根据事物的变化规律,针对该倾斜问题,我们发现:在两种倾斜同时发生时的结果与分步依次发生的结果是相同的,这就启发了我们可以通过分步考虑来简化模型的建立.接着我们又考虑到,该问题中储油罐是圆柱体和球冠体这样两个特殊的对称体的组合体.分析其几何特征可知:罐内液体不管怎么横向倾斜,其横截面均为垂直于水平面、左右对称的薄片,也就是说横向变位对纵向变位储油量无影响.所以为了易于模型的建立,我们假设油罐每次倾斜的完成顺序均如下列图:横
9、向倾斜纵向倾斜这样该问题中模型的建立又可以直接参照问题一中模型的建立,最后得函数模型. 模型建立的根本思路如下:模型建立完后,得出储油量与油位高度及变位参数纵向倾斜角度与横向倾斜角度之间的关系模型. 我们就可以开始确定变位参数的值再将确定了变位参数的值后代入模型来给出罐体变位后油位高度间隔为10cm的罐容表标定值最后可以再提出用实际检测数据对模型分析检验与建模方法的可靠性验证的方法三、模型假设及符号定义与说明3.1模型假设1罐内储油不受温度压强等的影响,即储油量的体积大小只与油位高度有关;2油浮子为一质点,其大小可忽略不计;3储油罐壁的厚度很薄,可以忽略不计;4外界因素的改变不会影响储油罐的形
10、状,即不会发生形变;5储油罐内部罐壁为理想、对称的几何图形,忽略其制造工艺带来的误差;6储油罐内部一系列小构建对储油量的影响忽略不计;7油的自身性质和蒸发损耗对储油量的影响忽略不计;8对油浮子与油接触时带来不可防止的仪器误差忽略不计3.2符号定义与说明:储油罐的纵向倾角;:储油罐的横向倾角;:储油罐的罐长;:储油量;:小椭圆油罐截面中椭圆的长半轴;:小椭圆油罐截面中椭圆的短半轴;:油浮子所在油面处的油位高度;:储油罐中任一油面位置处的油位高度;:测量出的储油量与油位高度关系函数;:实际的储油量与油位高度关系函数四、关于小椭圆型储油罐的模型建立与求解为了层次清楚,我们先交待本节的结构根据储油量的
11、多少,以及油浮子位置的限制,对于近油位探针端下倾这种情形,分成如下几种情况进行考虑:情形I ,储油情况如图1-4所示,并建立模型;情形II ,储油情况如图1-1所示,并建立模型;情形III 储油情况如图1-5所示,并建立模型4.1 情形I时,罐容与油面高度关系的模型建立通常状况下,在较小的情况下就会被工作人员所发现,并重新摆放储油罐,所以时,比拟常见,据此我们对此种情景在此做重点介绍如图1-1所示,取椭球圆柱体的中心轴为轴,并设该立体在过点、且垂直于轴的两平面之间以表示过z且垂直与x轴的截面面积这时,取为积分变量,它的变化区间为;相应于上任一小区间的一薄片的体积近似于底面积为,高为的扁柱体的体
12、积,即体积元素图1-1以为被积分表达式,在闭区间上作定积分,便得所求立体的体积 (1)接下来我们建立函数关系如图1-2所示,以图中椭圆柱体最左端椭球截面中心点为原点,以平行水平面和垂直水平面的方向分别为、轴建立直角坐标系,其中每片截面投影到坐标轴上的如下图图1-2图中椭圆面积公式为现在,取纵坐标为积分变量,它的变化区间为相应于上任一小区间的窄条面积近似于高为、底为的窄矩形的面积,从而得到面积元素,从而得,由图1-2有,代入得 接下来以为被积分表达式,运用MATLAB程序,在区间上作定积分,得所求的函数表达式为(程序见附录一) (2)进而,我们通过建立与的函数关系,将引入到 中,建立函数模型选取
13、坐标面上的截面如图1-3所示,油浮子所在处油位高度为,对应在轴上的投影点为点, 在轴上的投影长度为;油面上任一点的油位高度为,对应在轴上的投影为点,在轴上的投影长度为,即为该点的纵坐标大小;点为油面在轴上的交点图1-3很明显的有线段长度关系,而,所以 . 3对上述定积分公式(2)计算时,先不考虑积分限,直接对做不定积分,即联立(1),(2)和(3)式,因为所得结果比拟复杂,为了简便起见,我们在此令,所以积分后的式子为4.2 情形II时,罐容与油面高度关系的模型建立如图1-4所示,即为时的储油情形图1-4此种情形下模型的建立与模型的建立根本相同,唯一不同的是轴方向上的积分上限:模型中的上限为罐长
14、,而此处模型中油面边缘最右端与罐下壁有交界,投影到轴上的交点即为,所以该模型上限为即有 (4)所求的函数表达式与模型中完全相同,即为 (5)与的函数关系也为 (6)同样联立(4)(5)(6)三式求解,为简便起见,我们也在此令,同理得函数模型4.3 情形时,罐容与油面高度关系的模型建立模型如图1-5所示, 即为时的储油情形图1-5此种情形下模型的建立也与模型的建立根本相同,与模型相比,该模型相当于是模型中储油油体形状的立体图与一椭圆柱体的组合,所以该模型体积的求解分两局部完成,具体如下:其中为椭圆柱体的体积,为似模型的体积在求解的函数关系式时,利用椭圆柱体的体积公式:求解时,为解释更加清楚,我们
15、将坐标面上的图形截出平放如图1-6所示图1-6观察图形可得如下线段关系式,而所以最终可得椭圆柱体的高为在求解底面时,我们直接取用椭圆的面积公式,得面积为,所以有 (7)在求解的函数关系式时,我们参照模型的求解过程,抓住其本质的不同之处,仅将其积分下限换为即得所求的函数表达式也与模型中完全相同,即为 (8)与的函数关系也为 (9)同样联立(7)(8)(9)三式求解,为简便起见,我们也在此令,同理得函数模型4.4情形时,罐容与油面高度关系的模型建立模型如图1-7所示,即为时的情形.图1-7很明显,影响储油量的只有油面高度H,所以我们直接建立与的函数表达式,以下即为函数的建立:此种情形下模型的建立与
16、模型的建立根本相同,那么有 (10)所求的函数表达式与模型中完全相同,即为 11)由于,所以液面各处与均相等,即有 (12)同样联立(10)(11)(12)三式求解得4.5 一些补充说明1、除了以上所建立的三种模型外,我们也考虑到了其他可能会有的情况,如下图图1-8和图1-9,但是考虑到油浮子的测量局限性,这两种情况油浮子无法测量,所以我们在此也不做考虑 图1-8图1-92、发生纵向倾斜时,可能为近油位探针端下倾,也可能为远油位探针端下倾,以上考虑的仅为近油位探针端下倾的情形假设出现远油位探针端下倾这一情形,对可测得油面高度的储油量函数可采用如下方法进行计算对于小椭圆柱体型储油罐这样的对称体,
17、如图1-10所示,假设储油罐内有两个油浮子,分别位列储油罐内两对称的位置并假设仅远油位探针端的油浮子可读,为,那么另一油浮子,即近油位探针端油浮子油位高度为,即对应的储油量函数直接套用以上模型即为:但因远离油位探针端下倾时,微小的油位变化就会引起储油量发生很大的变化,实际工作中会很快被相关工作人员所发现,并重新放置即远离油位探针端下倾没有太大的实际意义,所以我们在此不做进一步讨论图1-104.6 罐容与油面高度关系模型的求解4.6.1、罐体变位后对罐容表的影响的求解所谓罐体变位后对罐容表的影响,即考虑当的油位高度固定,为常数时,纵向倾角对罐体储油体积的影响可以通过理论值与实测值之间的差来判断
18、对上式拟合分析得,是关于纵向倾角的增函数,即值增大时,值增大4.6.2、给出时油高间隔为所对应的一系列的罐容标定值在使用已建立出的模型做标定之前,为确保结果的精确度,我们先采用差值拟合的方法对模型进行修正即对油罐储油体积理论值与实际测量值的差做拟合曲线,也就是建立实测值与模型值的误差函数又因为采用数据拟合的方法可以反映函数曲线面反映对象整体的变化趋势,且使在某种准那么下与所有实际测量值最为接近,即曲线拟合得最好于是我们将实际测量值的数据点用matlab拟合,在用三次拟合时,三次相前系数几乎为0,且做二次拟合时,相关系数r=09996,精度较高,说明拟合效果较好,故这里我们只采用中二次拟合现在计
19、算误差函数油罐储油体积无论是理论值还是实际测量值都与油位高度有关,所以误差函数也是的函数 拟合时因进油表数值和出油表数值均为外部仪器测量,其数值较为精确,故采用进油表数值或采用出油表数值不会影响拟合效果用matlab2做二次曲线拟合3(程序见附录二、三)得出误差函数曲线方程为:1未发生变位时,实测值与模型值的误差函数为:故进行修正以后模型的函数为:用matlab编程有修正前后拟合曲线如下列图1-11所示图1-112发生变位时实测值与模型值的误差函数:修正以后的模型的函数为:修正前后拟合曲线如下列图1-12所示:图1-12现在采用相位分析法对修正后模型相似度进行检验,即用计算得,这也就证明了模型
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