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2010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):
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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
针对问题一,本文充分利用附件1提供的数据来分析、建模与检验。通过几何分析,我们将任意角度下的油位——油量关系转换到了无位变情况下的油位——油量关系。解决无变位情况下油位——油量的关系时,我们避开微积分的方法而采取回归分析的方法,我们认为采用此方法优于微积分的理由如下:1、题目提供的数据详尽,包括了整个数据域的所有情况,此外为了增强回归分析的精度、合理性,我们对数据进行了一定补充。数据补充后有这些:所有的无变位时的进油数据,部分无变位时出油数据,(0,0)这个点。2、采用回归分析所得模型无需进行过多的误差讨论,但用微积分求得的结果可能与实际数据的误差较大,需进行讨论,通过用变位为4.1°的进油,出油两组数据对模型1.2进行了精确度的分析,误差均控制在1%以内。变位4.1°后对罐容表的影响以及对新的罐容表的制定,我们分三种情况将油位和油量的关系求解并作图,按照题目要求从0cm到120cm每隔1cm进行了标定。同时做出了无变位时候油位与油量的图形,在图中进行直观的对比和分析。
针对问题二,我们运用微积分对储油罐的体积进行计算,求得了,油位高度以及罐内油的容量的一般关系式。模型的求解利用附录2中提供了15天的数据,我们认为15天内不会发生变化。从数据中解出,这是一个复杂的非线性超定方程组,通过设计模拟退火算法(SA)求解其近似的最小二乘解,最终结果为2.34,4.53,根据所求带回,根据题目要求进行了该位变下的罐容表的重新标定。
关键字:几何分析 回归分析 微积分 模拟退火算法 超定方程组
1、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(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。
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。
请你们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。
2、问题分析
该问题要求建立数学模型解决储油罐的变位识别与罐容表标定的问题,并用实际数据来分析检验数学模型。
2.1问题一的分析:
问题一要求建立数学模型研究罐体变位后对罐容表的影响,并给出了罐体无变位和倾斜角为的纵向变位两种情况的实验数据,通过几何分析,我们将所有任意角度下的油位——油量关系转换到了无位变情况下的油位——油量关系。我们需要解决无变位情况下油位——油量的关系,本文避开微积分的方法而采取回归分析的方法,在对数据的增补之后,对罐体无变位时数据进行多项式回归,得到水平状态下油位高度与储油量的数学关系式,即水平状态下容积计算公式,通过任意角度下的油位——油量关系与无位变情况下的油位——油量关系的转换,求得该角度下的油位——油量关系。通过作图则能反映罐体变位后对罐容表的影响,最后取模型中间隔为1cm倾斜油位高度即可得到罐容表的标定值。
2.2问题二的分析:
问题二要求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,并由实验数据求解与,针对问题二,本文主要是对球冠体卧式储油罐的体积通过微积分近似求解,得到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。对的求解主要运用模拟退火算法,最后根据得到的模型取得油位高度间隔为10cm的
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