群車加油系統(tǒng)建模與仿真概述

陳騰浩，馬振利，韓建榮

后勤工程學(xué)院，重慶 401311

0 引言

群車加油車是我軍主要的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)油料保障骨干裝備，是為實(shí)現(xiàn)野戰(zhàn)條件下為集群車輛實(shí)施快速加油而設(shè)計(jì)的，是我新裝備的使用往往伴隨著訓(xùn)練方法和經(jīng)驗(yàn)的不足，為了能夠解決這一問(wèn)題，構(gòu)建群車加油車仿真訓(xùn)練系統(tǒng)就成為了其配備部隊(duì)后的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。加油系統(tǒng)作為越野群車加油車的核心系統(tǒng)，其工況建模與仿真技術(shù)研究就成為了該裝備仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的核心。

1 群車加油系統(tǒng)概述

1.1 群車加油系統(tǒng)的概念及結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的定義及其特征[1]，群車加油系統(tǒng)可以認(rèn)為是具有特定功能、按照工藝流程結(jié)合起來(lái)的各種功能部件的總稱，可定義為：由儲(chǔ)油罐（油源）、油泵（動(dòng)力源）、管路、各類閥門、儀表、加油槍及其它部件按照一定的工藝流程和組合方式組成的、能夠?qū)崿F(xiàn)群車加油作業(yè)的多分支管路系統(tǒng)。

加油系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱加油系統(tǒng)）作為群車加油車的作業(yè)系統(tǒng)，主要由車內(nèi)管路和車外管路系統(tǒng)兩部分組成。車內(nèi)管路系統(tǒng)主要由過(guò)濾分離器、流量計(jì)、單槍彈簧卷盤、閥門和管路等組成，安裝在操作艙內(nèi)，可以完成泵油、過(guò)濾、計(jì)量、控制加油壓力、流程切換和零星車輛加油等基本功能[2]。

車外管路系統(tǒng)是車內(nèi)管路系統(tǒng)的延伸，是為集群車輛加油的必備部分，主要由80m輸油軟管、8根加油膠管和8把加油槍，以及相配套的滅火器、加油槍掛架等構(gòu)成。

1.2 加油系統(tǒng)工作特點(diǎn)

由于其完成油料補(bǔ)給任務(wù)的特殊性，工作特點(diǎn)與不同于一般多分支管路系統(tǒng)，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）系統(tǒng)工況隨機(jī)多變。加油過(guò)程中，各受油裝備起始和結(jié)束加油的時(shí)間不一致或受油能力的不同，開啟加油槍數(shù)不同，使得系統(tǒng)工況也隨著加油槍開啟數(shù)量的不同而發(fā)生變化。依據(jù)排列組合知識(shí)和系統(tǒng)實(shí)際情況，可計(jì)算出加油系統(tǒng)共有9864100種可能工況。由于開啟加油槍數(shù)量一定時(shí)，其計(jì)算方法是相同的，據(jù)此可以將工況分為1023種工況組合和10類加油模式；

2）系統(tǒng)流量突變。加油系統(tǒng)流量與開啟加油槍的數(shù)量成正比，裝備在受油過(guò)程中，加油槍開啟或關(guān)閉都是在很短的時(shí)間內(nèi)完成，支管流量將從最大（或零）變?yōu)榱悖ɑ蜃畲螅?，使得系統(tǒng)流量發(fā)生突然變化，然后在調(diào)節(jié)裝置的作用下趨于穩(wěn)定；

3）系統(tǒng)管端壓力比較穩(wěn)定。系統(tǒng)壓力是系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，過(guò)高或過(guò)低都將影響加油系統(tǒng)的正常工作，滑片泵的額定壓差為0.4MPa，但系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為0.22MPa～0.29MPa，當(dāng)系統(tǒng)工況發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)壓力始終在設(shè)計(jì)壓力范圍內(nèi)變化，且變化較小。

2 群車加油系統(tǒng)建模概述

2.1 加油系統(tǒng)基本模型

系統(tǒng)模型[3]是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的一種抽象，是系統(tǒng)本質(zhì)的表述，是人們對(duì)客觀世界反復(fù)認(rèn)識(shí)、分析，經(jīng)過(guò)多級(jí)轉(zhuǎn)換、整合等相似過(guò)程而形成的最終結(jié)果，它具有與系統(tǒng)相似的數(shù)學(xué)描述或物理屬性，以各種可用的形式，給出研究系統(tǒng)的信息。加油系統(tǒng)模型是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的抽象，能夠正確反映實(shí)際加油系統(tǒng)的主要功能、特性、規(guī)律及工況變化對(duì)系統(tǒng)造成的影響，具有與實(shí)際系統(tǒng)相似的數(shù)學(xué)描述和物理屬性，是研究群車加油系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)加油系統(tǒng)研究的側(cè)重點(diǎn)不同，可以建立不同的模型，以達(dá)到分析和研究系統(tǒng)規(guī)律的目的。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型（又稱管網(wǎng)模型）。該模型是根據(jù)加油系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和圖論理論，將整個(gè)系統(tǒng)看做是由節(jié)點(diǎn)和管段組成的管網(wǎng)模型，其中節(jié)點(diǎn)和管段相連，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只表示系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，并不代表實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)結(jié)構(gòu)。該模型可以更直觀地認(rèn)識(shí)加油系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，是分析系統(tǒng)工況和規(guī)律的基礎(chǔ)。

數(shù)學(xué)模型。該模型是在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和構(gòu)建系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)管網(wǎng)水力計(jì)算基本方程，以數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式將系統(tǒng)內(nèi)在的關(guān)系、特征、運(yùn)行規(guī)律等進(jìn)行抽象，從數(shù)學(xué)角度對(duì)加油系統(tǒng)進(jìn)行描述的模型。數(shù)學(xué)模型是非線性的節(jié)點(diǎn)流量和節(jié)點(diǎn)壓頭方程組，遵循水力計(jì)算的基本原理和規(guī)律。

仿真模型。將建立好的加油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型根據(jù)仿真建模的基本原理轉(zhuǎn)換成能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的仿真模型，即通過(guò)仿真程序?qū)崿F(xiàn)的模型。

2.2 加油系統(tǒng)建模方法

加油系統(tǒng)屬于多分支管路系統(tǒng)，是管網(wǎng)系統(tǒng)的一種特殊形式，其基本結(jié)構(gòu)和管路特性是已知的，其模型分為數(shù)學(xué)模型和仿真模型，建模方法主要是圍繞建立加油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和仿真模型展開論述。

建立加油系統(tǒng)模型的目的是為了實(shí)現(xiàn)不同工況下的支管流量、節(jié)點(diǎn)壓頭和系統(tǒng)壓力的計(jì)算與仿真。系統(tǒng)是由干管和支管共同組成的多分支管路，遵循管網(wǎng)水力計(jì)算的基本原理和規(guī)律。根據(jù)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，運(yùn)用圖論知識(shí)構(gòu)建系統(tǒng)管網(wǎng)圖，分析系統(tǒng)的工況及影響因素，確定輸入?yún)?shù)和目標(biāo)參數(shù)。綜合運(yùn)用管網(wǎng)水力學(xué)和流體力學(xué)基本方程，建立系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)連續(xù)方程、管段壓降方程和節(jié)點(diǎn)壓頭方程。建模過(guò)程中可以用三種方法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，分別為：改進(jìn)關(guān)聯(lián)矩陣法、構(gòu)造距離矩陣法和依次建模法。

改進(jìn)關(guān)聯(lián)矩陣法[4]：就是將管網(wǎng)中的關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行改進(jìn)，去掉支管的末端點(diǎn)，即在構(gòu)建關(guān)聯(lián)矩陣的過(guò)程中減少了矩陣的行數(shù)，依據(jù)改進(jìn)后的關(guān)聯(lián)矩陣建立隨機(jī)工況模型。

構(gòu)造距離矩陣法：為了能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的隨機(jī)工況的計(jì)算，構(gòu)建了以支管間的距離為元素的矩陣，根據(jù)水利計(jì)算原理建立隨機(jī)工況模型。

依次建模法：這也是最原始的一種計(jì)算方法，其過(guò)程就是根據(jù)不同工況所處的狀態(tài)，逐一對(duì)系統(tǒng)的目標(biāo)參數(shù)逐一進(jìn)行求解，雖然過(guò)程直接，但效率太低。

3 加油系統(tǒng)仿真概述

3.1 系統(tǒng)仿真的定義

文獻(xiàn)[1]中定義為：系統(tǒng)仿真就是建立系統(tǒng)模型，并利用該模型運(yùn)算，進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)研究的全過(guò)程。雖然對(duì)系統(tǒng)仿真做出了解釋，但不全面。目前人們普遍接受的概念是：系統(tǒng)仿真是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種模擬器及專用物理設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究的一門綜合性技術(shù)[5-7]。

依據(jù)系統(tǒng)仿真的定義，將加油系統(tǒng)仿真概括為：通過(guò)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以水力計(jì)算理論為基礎(chǔ)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為能在計(jì)算機(jī)上求解的仿真語(yǔ)言和進(jìn)行解算的過(guò)程，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和校核。加油系統(tǒng)是研究的對(duì)象，模型是加油系統(tǒng)的抽象，仿真是對(duì)模型進(jìn)行的試驗(yàn)[8]。

加油系統(tǒng)仿真的最終目的是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的水力計(jì)算仿真、驗(yàn)證模型的正確性和對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。仿真過(guò)程包括建立加油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、仿真模型和編寫仿真程序、以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與校核、對(duì)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析等步驟。加油系統(tǒng)仿真實(shí)際是由三個(gè)基本活動(dòng)構(gòu)成，即建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、構(gòu)造仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)、模型（或含系統(tǒng)中的某些實(shí)物）、計(jì)算機(jī)（或含某些物理效應(yīng)設(shè)備）是聯(lián)系這三個(gè)活動(dòng)的要素。它們的關(guān)系如圖1所示。

圖1 加油系統(tǒng)仿真的三要素及其基本活動(dòng)

3.2 系統(tǒng)仿真的步驟及流程

加油系統(tǒng)仿真的主要目的是為了對(duì)系統(tǒng)水力計(jì)算進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真試驗(yàn)來(lái)求解系統(tǒng)支管的流量和管路摩阻損失。根據(jù)仿真試驗(yàn)的結(jié)果，研究和分析實(shí)際系統(tǒng)的管路特性和工況變化規(guī)律，進(jìn)而了解系統(tǒng)參數(shù)的變化對(duì)工況的影響。為了能夠得到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，就必須對(duì)模型進(jìn)行研究和反復(fù)修改，經(jīng)過(guò)多次運(yùn)行才能符合系統(tǒng)仿真的要求。

從建模與仿真技術(shù)的角度來(lái)看，可以將加油系統(tǒng)仿真過(guò)程分為模型建立、模型變換、模型試驗(yàn)三個(gè)階段。模型建立階段的主要任務(wù)是根據(jù)加油系統(tǒng)建模仿真的目的、系統(tǒng)的工作及調(diào)節(jié)原理和管路、介質(zhì)等已知參數(shù)建立加油系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。模型變換階段的主要研究?jī)?nèi)容是根據(jù)加油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的形式、仿真的目的，選擇合適的算法將模型轉(zhuǎn)化成仿真模型，編寫仿真程序。模型試驗(yàn)階段的主要任務(wù)是改變工作支管數(shù)量，計(jì)算不同工況下的支管流量和節(jié)點(diǎn)壓頭，并對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行整理、分析，總結(jié)系統(tǒng)特性和規(guī)律，這一階段的關(guān)鍵技術(shù)是仿真軟件及編程技術(shù)。按三個(gè)階段劃分的仿真過(guò)程如圖2所示。

圖2 計(jì)算機(jī)仿真的三個(gè)階段

加油系統(tǒng)仿真的三個(gè)階段不能全面地反映系統(tǒng)建模與仿真的整個(gè)流程，所以本文將加油系統(tǒng)建模與仿真過(guò)程分為以下步驟：明確目的、系統(tǒng)分析、建立數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)的收集、建立仿真模型、模型驗(yàn)證和模型確認(rèn)、仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)、仿真運(yùn)行、仿真結(jié)果分析。

圖3 群車加油車加油系統(tǒng)仿真流程

將以上十個(gè)步驟總結(jié)為加油系統(tǒng)仿真流程，如圖3所示。通過(guò)對(duì)流程圖的分析，可以將仿真流程表述如下：明確建模與仿真的目的，通過(guò)分析加油系統(tǒng)的工況和特性并收集系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，根據(jù)管網(wǎng)水力計(jì)算基本原理建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；以Matlab為平臺(tái)，編寫仿真程序，并對(duì)程序進(jìn)行修改和對(duì)仿真模型進(jìn)行確認(rèn)。若模型是合理的，就按照不同的工況進(jìn)行計(jì)算，得出仿真結(jié)果，并進(jìn)行分析和總結(jié)；若模型不合理，分別判斷是否為程序問(wèn)題、仿真模型問(wèn)題或系統(tǒng)模型問(wèn)題，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行修改，使仿真結(jié)果準(zhǔn)確合理。

4 結(jié)論

本文通過(guò)介紹了群車加油系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，提出了加油系統(tǒng)的基本模型，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型、數(shù)學(xué)模型和仿真模型；闡述了改進(jìn)關(guān)聯(lián)矩陣法、構(gòu)造距離矩陣法和依次建模法，建立加油系統(tǒng)模型；建立了加油系統(tǒng)仿真的步驟及流程，為群車加油系統(tǒng)的建模與仿真研究的進(jìn)一步深入奠定了基礎(chǔ)。

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