A题讲评数学建模解析PPT教学课件

1、 题目 题目的背景与分析 问题（1）的通常做法 问题（2）的通常做法 一种建立储油量模型的新方法 对学生论文的评述 题目的启示第1页/共34页【研究背景】通常加油站都有若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。 图1 是一种典型的储油罐尺寸及形状示意图，其主体为圆柱体，两端为球冠体 2010A题：储油罐的变位识别与罐容表标定第2页/共34页油油浮子出油管油位探测装置注油口检查口地平线2m6m1m1m3

2、m油位高度图1 储油罐正面示意图油位探针第3页/共34页 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。 图2是其罐体纵向倾斜变位的示意图， 图3是罐体横向偏转变位的截面示意图。第4页/共34页油位探针 地平线图2 储油罐纵向倾斜变位后示意图油油浮子出油管油位探测装置注油口检查口水平线第5页/共34页图3 储油罐截面示意图（b）横向偏转倾斜后正截面图地平线垂直线油位探针（a）无偏转倾斜的正截面图油位探针油位探测装置3m第6页/共34页(b) 小椭圆油罐截面示意图

3、油油浮子出油管油位探针注油口水平线2.05mcm0.4m1.2m1.2m1.78m(a) 小椭圆油罐正面示意图图4 小椭圆型油罐形状及尺寸示意图第7页/共34页【建模目的】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，利用如图4的小椭圆型储油罐（两端平头的椭圆柱体），分别对罐体无变位和倾斜角为 =4.10的纵向变位两种情况做了实验，实验数据如附件1所示。请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1cm的罐容表标定值。 2 对于图1所示的实际储油罐，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

4、位参数（纵向倾斜角度 和横向偏转角度 ）之间的一般关系。请利用罐体变位后在进/出油过程中的实际检测数据（附件2），根据你们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。进一步利用附件2中的实际检测数据来分析检验你们模型的正确性与方法的可靠性。第8页/共34页附件一流水号油罐号累加进油量/L油位高度/mm采集时间说明11150159.022010-08-18 10:32:18(1)(1)罐体无变位进油，罐内油量初值罐体无变位进油，罐内油量初值262L262L；121100176.142010-08-18 10:33:18(2)C(2)C列累加进油量是每次加入

5、一定量列累加进油量是每次加入一定量油后的累加值；油后的累加值；131150192.592010-08-18 10:34:18(3)D(3)D列是原罐内初始油量加入相应油列是原罐内初始油量加入相应油量后油位高度值。量后油位高度值。流水号油罐号累加出油量/L油位高度/mm采集时间说明111152.721150.722010-08-18 14:31:01(1)罐体无变位出油；1121102.721123.992010-08-18 14:31:56(2)C列的累加出油量是每次抽出一定量油后的累加值；1131152.721101.152010-08-18 14:32:56(3)D列是从罐内抽出相应油量后

6、油位高度值。第9页/共34页流水号油罐号累加出油量/L油位高度/mm采集时间说明3111501020.652010-08-19 16:10:31(1)罐体纵向倾斜变位出油，纵向倾斜角4.1；31211001007.732010-08-19 16:11:21(2)C列累加出油量是每次抽出一定量油后的累加值；3131150994.322010-08-19 16:12:21(3)D列是原罐内油量抽出一定量油后的油位高度值。流水号油罐号累加进油量/L油位高度/mm采集时间说明2111747.86411.292010-08-19 15:10:27(1)罐体纵向倾斜变位进油，纵向倾斜角4.1，212179

7、7.86423.452010-08-19 15:11:27罐内油量初值215L；2131847.86438.332010-08-19 15:12:37(2)C列累加进油量是每次加入一定量油后的累加值；2141897.86450.542010-08-19 15:13:27(3)D列是原罐内油量加入相应油量后油位高度值。第10页/共34页流水号C进油量/LD油位高度/mm采集时间说明1150159.022010-08-20 10:32:18(1)罐体无变位进油，罐内油量初值262L；12100176.142010-08-20 10:33:18(2)C列进油量是每次加入50L油后的累加值131501

8、92.592010-08-20 10:34:18(3)D列是原罐内初始油量加入相应油量后油位高度值。流水号C进油量/LD油位高度/mm采集时间说明11747.86411.292010-08-19 15:10:2712797.86423.452010-08-19 15:11:2713847.86438.332010-08-19 15:12:3714897.86450.542010-08-19 15:13:27(1)罐体纵向倾斜变位进油，纵向倾斜角4.10,罐内油量初值215L；(2)C列进油量是每次加入50L油后的累加值，个别的有小数零头；(3)D列是原罐内油量加入相应油量后油位高度值。附件1

9、实验数据第11页/共34页流水号C进油量/LD出油量/LE显示油高/mm显示油量容积/L采集时间备注说明201060.0060.00 2632.23 60448.88 2010-08-01 08:00:49 开始采集2020149.09149.09 2624.30 60311.43 2010-08-01 08:15:421)C列进油量,通常进油是一次性连续完成203068.4568.45 2620.67 60248.03 2010-08-01 08:23:412)D列出油量是加油机不同时段的出油量vi2040199.27199.27 2610.29 60065.11 2010-08-01 08

10、:38:143)E列显示油高是进/出油vi后对应的罐内油位显示高度hi；205070.0570.05 2606.61 59999.69 2010-08-01 08:53:084)F列显示油量容积是进/出油vi后,罐内油位5020显示高度为hi时的罐容表显示储油量i。 50360.8160.81469.74 6086.74 51124511242486.21 57704.79 2010-08-08 11:43:402010-08-08 12:52:52一次性补充进油附件2 检测数据第12页/共34页来自于加油站设备研究与生产企业的一个实际课题. （2）根据实际检测数据，正确识别罐体是如何变位的，

11、具体变了多少？同时要给出罐容表的修正标定方法和结果，属于“反问题”。题目背景题目背景问题分析问题分析问题由两部分组成：（1）为了观察检验罐体变位对罐容表的影响，在已知变位参数的情况下，检测出油位高度和油量的对应数值，建模分析罐容表的变化规律，并给出修正的罐容表，属于“正问题”。第13页/共34页02004006008001000120005001000150020002500300035004000hvalpha=0alpha=4.1问题（1）的通常做法 根据附件1 的实验数据画出罐体不变位（=0）和罐体变位（=4.10）时油位高度h和储油量V的曲线.实验数据表明，在同样的油位高度h下，罐体变

12、位时储油量V减少.第14页/共34页zx0z=HabS(H)12222bzaxz=H下的面积 bHbbHabHbbaHabHS,sin2)(122油位高度h时坐标y处z=H LybhLybhH0,20,tan)(1LybhhyS0,20),(油位高度h时坐标y处的截面面积 罐体变位时油位高度h和储油量(体积)V的数学模型化重积分为定积分zyxhyH0L1L油位计L2V(h,)z=H第15页/共34页tan0:211LhhD,tan/,),()(1101hLydyhyShVytan2:1212LbhhhDLdyhyShV0),()(bhhD2:23tan/ )2(,),()(1222hbLydy

13、hySabyhVLy),(, 0)0(10LdyhySV,),()2(11abLdyhySabLbVLLLybhhyS0,20),(高度h与储油量V的模型D3D2D1yh10L1L2h2y1y2油位计第16页/共34页02040608010012000.511.522.533.544.5hvalpha=0alpha=4.1高度h与储油量V的模型 V(h,)h/cmV/Lh/cmV/Lh/cmV/Lh/cmV/L1070.1340965.66702232.501003450.7220281.86501371.88802661.421103776.6430595.25601798.52903072

14、.431204012.74 =4.10的罐容表(部分)按照模型讨论变位对罐容表的影响与实验数据表示的影响一致.变位后储油量平均约小200L.第17页/共34页00.20.40.60.811.21.4012345hv模 型实 验0.40.50.60.70.80.911.10.511.522.533.54hv模 型实 验模型结果与实验数据的比较 =4.10 =0模型结果与实验数据基本吻合，而在同样的油位高度h下，储油量V的实验数据均比模型结果小.可以有各种解释.是否要修正、怎样修正模型？第18页/共34页问题（2）的通常做法1. 罐体变位,时油位高度h和储油量V的数学模型hD1D2D3整体考虑hV

15、xy0z 写出左右球面、圆柱面及油位高度h的油平面方程. 将罐体分为3个区域：D1,D2,D3 在3个区域中分别写出体积的重积分，并化为（对z的）定积分.油平面第19页/共34页rhLyrhH20,tan)(1222rzxrhrhh20),cos1 (cos将罐体分为圆柱体和球缺，圆柱体按照问题（1）考虑z=H下的面积 rHrrHrHrHrHS,sin2)(12222zx0rhhz=H截面面积S (y,h,) 圆柱体体积V1 (h,) 0 xzyD1D2D3h第20页/共34页将罐体分为圆柱体和球缺，球缺部分单独考虑 精确计算球缺部分体积V2 将倾斜角的油平面近似为水平面（=0）计算球缺部分体

16、积V2.直接将罐体的球缺部分按照体积不变条件折合成圆柱，一起计算.用各种方法得到罐体体积V (h,) ,一般是积分表达式, 给定, 可以数值计算油位高度h时的储油量V.第21页/共34页问题（2）的通常做法2. 根据储油量的数学模型V (h,)和实测数据（附件2）辨识罐体变位参数,流水号C进油量/LD出油量/LE显示油高/mm显示油量容积/L采集时间备注说明201060.0060.00 2632.23 60448.88 2010-08-01 08:00:49 开始采集（i =0=0）2020149.09149.09 2624.30 60311.43 2010-08-01 08:15:42 i

17、=1=1hiViuiVi =Vi (hi, 0,0)不能用！应该用数据ui , hi与模型V (h,) 辨识参数,确定,应使储油量的改变Vi 与出油量ui 相吻合！),(),(),(1iiihVhVV第22页/共34页辨识准则niiiuVQ12),(),(),(),(),(1iiihVhVViiiniiiiihhhhuhVQ112,),(),(确定,使Q最小 搜索法：按照, 的可能范围划分区间，逐步搜索. 直接利用MATLAB的非线性曲线拟合程序 lsqcurvefit辨识方法辨识结果ui , hi取进油前的300组数据)(3 . 4),1 . 0(1 . 2000第23页/共34页h/cm2

18、0406080100V/L1065.803702.657371.3811756.6116664.62h/cm120140160180200V/L21941.1827450.7733066.9938667.2744128.48h/cm220240260280300V/L49322.4454109.9358329.2761768.9064026.17 =2.110, =4.310的修正罐容表(部分)00.511.522.5301234567x 104油 位 高 度 值 h储油量值显 示 的 储 油 量 曲 线实 际 的 储 油 量 曲 线罐体变位后显示储油量与实际储油量的比较第24页/共34页模型

19、及结果检验 取进油后的300组数据检验辨识结果, , 的灵敏性检验020406的灵敏度00 . 201 . 202 . 2的灵敏度纵向倾斜角比横向偏转角 对罐容量的影响显著得多！ 第25页/共34页一种建立模型V (h,) 的新方法xy0zhhYZX0绕x轴转动绕z轴转动cossin0sincos0001,11TzyxTZYXcoscossinsinsinsincoscossincos0sincos,21TTTzyxTZYXT2T1= T1T2 ?1000cossin0sincos,22TzyxTZYX第26页/共34页第27页/共34页hYZX0VVcoscossinsinsinsincos

20、cossincos0sincos,TzyxTZYXxy0zhLdh-r油浮子坐标 (0, h-r, L/2-d)过油浮子的油平面方程sin)2/(coscos)(sincoscossincosdLrhzyxCY 坐标变换第28页/共34页xy0zhrsRV222222222sin)2/(coscos)(sincoscossincos:ryxyxRszyxRsdLrhzyxD油位高度h的储油区域为DDzyxDzyxhzyxI),( , 0),( , 1),(EdxdydzhzyxIhV),(),(RszRsryrrxrE,:油位高度h时的储油量V定义示性函数第29页/共34页利用MATLAB的三重积分程序计算储油量triplequad(x,y,z)(-x*cos(a)*sin(b)+y*cos(a)* cos(b)+z*sin(a)=cos(a)*cos(b)*(h-r)+sin(a)* (L/2-d).*(x.2+ y.2 =-s-sqrt(R2-x.2-y.2).*(z=s+sqrt(R2-x.2-y.2),-r,r,-r, r,-(s+R),s+R) trip