2010年全国大学生数学建模竞赛A题高教社杯奖

1储油罐变位识别与罐容表标定模型摘要本文在充分了解卧式金属罐容积检定规程的前提下，重点通过几何分析法与积分法建立起储油量与油位高度、变位参数之间关系的数学模型。在问题一中，通过建立的数学模型求得的理论计算值，和无变位进出油实验所得实际观测值的相对误差，对模型进行了修正，并给出了罐体变位后油位高度间隔1cm的罐容表标定值。同时，本文将罐体变位后对罐容表的影响的研究，巧妙地转化成对不同的倾斜角在一定的油高H和高度变量H下，产生的油量变化量V的研究，从而得到罐体倾斜后，油量变化量V的曲线形状基本不变，并在油位高度方向进行了平移的结论。对于问题二，本文在问题一中建立的模型的基础上加入了横向偏转角，并在求两端容积时采用了“球冠体内液面与圆柱轴线平行”的近似方法，较为简便地建立了罐内储油量与油位高度及变位参数间一般关系的数学模型。为了确定变位参数和，本文结合已建立的数学模型，将问题转化为求解一个关于和的非线性最小二乘问题。利用数值方法，结合附件中的数据，确定了变位参数：2.1187o，4.6927o。在此基础上，本文给出了实际储油罐变位后的罐容表标定值。对于模型的评价，本文采用绝对误差和相对误差两个角度，对问题一中建立的模型进行了合理性和正确性分析，修正后的模型对变位油量容积标定的相对误差控制在2%以内。对问题二中建立的模型，本文在充分利用实际采集数据下，采用绝对误差分析，检验了模型的正确性。另外，又通过分析总体误差与变位参数的关系，讨论了模型的可靠性。最后，本文分析了现有模型的缺陷，并提出了进一步改进的方向。【关键词】几何分析法；数值积分；非线性最小二乘法2目录一、问题重述.....................................................3二、基本假设.....................................................3三、符号说明.....................................................3四、模型建立、分析与求解.........................................4（一）问题一.........................................................41、椭圆的部分面积公式............................................42、罐体内油量容积的确定..........................................53、模型修正与求解................................................64、纵向倾斜角对罐容表的影响....................................7（二）问题二.........................................................91、罐内储油量与油位高度及变位参数之间一般关系的确定...............92、油量容积的修正...............................................103、变位参数的确定...............................................104、模型求解.....................................................11五、模型评价与改进...............................................11（一）模型评价......................................................111、问题一.......................................................112、问题二.......................................................13（二）进一步的改进方向..............................................14六、参考文献.....................................................14附录............................................................153一、问题重述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发生变位，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。需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，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，需要根据实验数据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）对于实际储油罐，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和横向偏转角度）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，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、基本假设（1）储油罐的变位不会太大，包括纵向倾斜的角度和横向偏转的角度；（2）储油罐变位后不会改变罐体的几何形状；（3）油体温度和体积的改变不会造成储油罐发生形变；（4）油罐内温度和压强的变化很小，不影响罐体内油量容积；（5）储油罐的厚度和内部附件的体积对罐体内油量容积的影响可以忽略不计。三、符号说明H油浮子显示的油位高度；'H罐体产生横向偏转后，修正得到的油位高度，即罐体内的实际油位高度；a小椭圆型油罐侧面椭圆短半轴长度；b小椭圆型油罐侧面椭圆长半轴长度；L（椭）圆柱的长度；R球冠体的曲率半径；1H罐体纵向倾斜后，柱体容器中的高端液高；2H罐体纵向倾斜后，柱体容器中的低端液高；*V罐体内油量容积的精确值；4四、模型建立、分析与求解（一）问题一为了得到罐体变位后的罐容表，首先要推导出油位高度与罐体内油量容积之间的关系。我们使用几何分析法，将该实际问题抽象为如下的数学模型：现有一个椭圆柱体，侧面椭圆的短半轴为a，长半轴为b，长度为L。柱体的中心线与水平面成角。平面P与水平面平行，并与椭圆柱体相交，椭圆柱体中在平面P以下的体积V。此类问题可用积分法来求解。由于椭圆柱体纵向倾斜角度后，与平面P的交线为不规则封闭曲线，其方程不易求得。因此，若沿油底到油面的方向（Y轴方向）积分，难度很大。于是我们选择椭圆柱体中心线的方向（X轴方向）作为积分方向。如图1所示：图1储油罐截面图，阴影为有油部分1、椭圆的部分面积公式dS（希望得到的面积）：椭圆22221xyba在直线yh()aha下方的面积；uS：椭圆22221xyba在直线yh(0)ha上方的面积；直线yh()aha与椭圆的两个交点为221,hbha和221,hbha，当[0,]ha时，2221202(1)hbauxSahdxb即22(arcsin())2uhhbSabahaa5又由于udSSab，从而22(arcsin())2dhhbSabahaa，[0,]ha当[,0]ha时，由椭圆关于Y轴的对称性有：22()(arcsin())()2dhhbSabahaa，[,0]ha从而，22(arcsin())2dhhbSabahaa，[,]haa2、罐体内油量容积的确定从侧面沿着圆柱体的中轴看，椭圆柱体在平面P以下的体积V，可以看成是由一系列底面为部分椭圆（面积设为A），高为微元l（lL）的柱体的体积相加得到。当l趋于无穷小时，有：dxVA22(arcsin())2hbhAabahaa1()tanhHaLx这样我们就建立了储油量V和油位高度H、纵向倾斜角间的关系了。当=0，即罐体无变位时，体积V有简洁的解析值：20()(arcsin())22LHabLHaVAdxabLHaHaa。当04.1时，由于倾斜角的影响，上述对V的积分需要根据H的取值范围，分5种情况讨论，见图2。图2（1）当0H时，油量不超过10LVAdx；（2）当20tanHL时，1tan0HLVAdx；6（3）当21tan2tanLHaL时，0LVAdx；（4）当12tan2aLHa时，121tan2()tanLaHLaHVabLAdx；（5）当2Ha时，11[,]LLVabLAdxabL为方便进一步的分析与求解，我们将上述5种情况整理为一个统一的表达式：0min(,max(,0))LVabAdx我们已用Matlab求出了上述积分的解析值，但由于表达式过于繁琐，我们在此就不给出了。另一方面，由于积分的解析值过于复杂，不利于模型的求解和罐容表的标定，我们使用数值积分的方法对上述积分重新求解，从而得到H和相应的V的关系表。3、模型修正与求解首先我们给出一个相对误差的定义：**100%VVVV相对利用问题1附件中对无变位进出油数据的记录，对上述模型进行检验。我们发现当在00时，V相对基本稳定在3.488%。由此我们认为，这是由于某种特定的因素造成的。查阅资料后我们得知，按照国家计量检定规程1，标准储油罐的壁厚不得于5mm，且油罐内部的附件体积不可忽略。于是我们再引入一个附加假设：罐体内部附件与罐壁厚度对罐容的影响随罐体内油量容积均匀分布。根据小椭圆罐体无变位进出油试验数据的误差分析，我们给出关于罐体内油量容积的修正V，其满足：3.488%VVV，即有：103.488%VV。于是，我们得到了修正后的罐体内油量容积与油位高度的关系表，并给出了罐体变位后油位高度间隔为1cm的罐容表如下：1《JJG_266-1996_卧式金属罐容积检定规程》7小椭圆型储油罐纵向倾斜后的罐容表H（cm）V(L)H(cm)V(L)H(cm)V(L)H(cm)V(L)H(cm)V(L)01.6213113.7826445.9439895.49521406.9413.4114132.3127477.3540933.11531447.8526.0515152.5028509.3841971.08541488.9239.6416174.1829542.00421009.38551530.13414.2617197.1230575.18431047.98561571.47519.9918221.1931608.91441086.88571612.93626.9219246.2932643.15451126.06581654.50735.0920272.3633677.88461165.50591696.16844.5921299.3234713.09471205.20601737.91955.4622327.1335748.74481245.13611779.721067.7623355.7336784.83491285.28621821.591181.5524385.1037821.33501325.64631863.511296.8725415