群車加油系統建模與仿真概述

陳騰浩，馬振利，韓建榮

后勤工程學院，重慶 401311

0 引言

群車加油車是我軍主要的戰術機動油料保障骨干裝備，是為實現野戰條件下為集群車輛實施快速加油而設計的，是我新裝備的使用往往伴隨著訓練方法和經驗的不足，為了能夠解決這一問題，構建群車加油車仿真訓練系統就成為了其配備部隊后的一個亟待解決的問題。加油系統作為越野群車加油車的核心系統，其工況建模與仿真技術研究就成為了該裝備仿真訓練系統的核心。

1 群車加油系統概述

1.1 群車加油系統的概念及結構

根據系統的定義及其特征[1]，群車加油系統可以認為是具有特定功能、按照工藝流程結合起來的各種功能部件的總稱，可定義為：由儲油罐（油源）、油泵（動力源）、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、能夠實現群車加油作業的多分支管路系統。

加油系統（以下簡稱加油系統）作為群車加油車的作業系統，主要由車內管路和車外管路系統兩部分組成。車內管路系統主要由過濾分離器、流量計、單槍彈簧卷盤、閥門和管路等組成，安裝在操作艙內，可以完成泵油、過濾、計量、控制加油壓力、流程切換和零星車輛加油等基本功能[2]。

車外管路系統是車內管路系統的延伸，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、加油槍掛架等構成。

1.2 加油系統工作特點

由于其完成油料補給任務的特殊性，工作特點與不同于一般多分支管路系統，主要有以下幾個特點：

1）系統工況隨機多變。加油過程中，各受油裝備起始和結束加油的時間不一致或受油能力的不同，開啟加油槍數不同，使得系統工況也隨著加油槍開啟數量的不同而發生變化。依據排列組合知識和系統實際情況，可計算出加油系統共有9864100種可能工況。由于開啟加油槍數量一定時，其計算方法是相同的，據此可以將工況分為1023種工況組合和10類加油模式；

2）系統流量突變。加油系統流量與開啟加油槍的數量成正比，裝備在受油過程中，加油槍開啟或關閉都是在很短的時間內完成，支管流量將從最大（或零）變為零（或最大），使得系統流量發生突然變化，然后在調節裝置的作用下趨于穩定；

3）系統管端壓力比較穩定。系統壓力是系統的一個重要指標，過高或過低都將影響加油系統的正常工作，滑片泵的額定壓差為0.4MPa，但系統的設計壓力為0.22MPa～0.29MPa，當系統工況發生變化時，系統壓力始終在設計壓力范圍內變化，且變化較小。

2 群車加油系統建模概述

2.1 加油系統基本模型

系統模型[3]是對實際系統的一種抽象，是系統本質的表述，是人們對客觀世界反復認識、分析，經過多級轉換、整合等相似過程而形成的最終結果，它具有與系統相似的數學描述或物理屬性，以各種可用的形式，給出研究系統的信息。加油系統模型是對實際系統功能和結構的抽象，能夠正確反映實際加油系統的主要功能、特性、規律及工況變化對系統造成的影響，具有與實際系統相似的數學描述和物理屬性，是研究群車加油系統的基礎。根據加油系統研究的側重點不同，可以建立不同的模型，以達到分析和研究系統規律的目的。

拓撲結構模型（又稱管網模型）。該模型是根據加油系統的基本結構和圖論理論，將整個系統看做是由節點和管段組成的管網模型，其中節點和管段相連，系統拓撲結構只表示系統之間的內在聯系，并不代表實際系統的真實結構。該模型可以更直觀地認識加油系統的基本結構，是分析系統工況和規律的基礎。

數學模型。該模型是在簡化系統結構和構建系統拓撲結構的基礎上，根據管網水力計算基本方程，以數學表達式的形式將系統內在的關系、特征、運行規律等進行抽象，從數學角度對加油系統進行描述的模型。數學模型是非線性的節點流量和節點壓頭方程組，遵循水力計算的基本原理和規律。

仿真模型。將建立好的加油系統數學模型根據仿真建模的基本原理轉換成能在計算機上運行的仿真模型，即通過仿真程序實現的模型。

2.2 加油系統建模方法

加油系統屬于多分支管路系統，是管網系統的一種特殊形式，其基本結構和管路特性是已知的，其模型分為數學模型和仿真模型，建模方法主要是圍繞建立加油系統數學模型和仿真模型展開論述。

建立加油系統模型的目的是為了實現不同工況下的支管流量、節點壓頭和系統壓力的計算與仿真。系統是由干管和支管共同組成的多分支管路，遵循管網水力計算的基本原理和規律。根據系統的基本結構和工作原理，運用圖論知識構建系統管網圖，分析系統的工況及影響因素，確定輸入參數和目標參數。綜合運用管網水力學和流體力學基本方程，建立系統的節點連續方程、管段壓降方程和節點壓頭方程。建模過程中可以用三種方法建立系統的數學模型和仿真模型，分別為：改進關聯矩陣法、構造距離矩陣法和依次建模法。

改進關聯矩陣法[4]：就是將管網中的關聯矩陣進行改進，去掉支管的末端點，即在構建關聯矩陣的過程中減少了矩陣的行數，依據改進后的關聯矩陣建立隨機工況模型。

構造距離矩陣法：為了能夠實現系統的隨機工況的計算，構建了以支管間的距離為元素的矩陣，根據水利計算原理建立隨機工況模型。

依次建模法：這也是最原始的一種計算方法，其過程就是根據不同工況所處的狀態，逐一對系統的目標參數逐一進行求解，雖然過程直接，但效率太低。

3 加油系統仿真概述

3.1 系統仿真的定義

文獻[1]中定義為：系統仿真就是建立系統模型，并利用該模型運算，進行科學試驗研究的全過程。雖然對系統仿真做出了解釋，但不全面。目前人們普遍接受的概念是：系統仿真是以相似原理、系統技術、信息技術以及其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種模擬器及專用物理設備為工具，利用系統模型對真實的或設想的系統進行動態研究的一門綜合性技術[5-7]。

依據系統仿真的定義，將加油系統仿真概括為：通過對系統結構進行分析，以水力計算理論為基礎建立系統的數學模型，將數學模型轉換為能在計算機上求解的仿真語言和進行解算的過程，并對模型進行驗證和校核。加油系統是研究的對象，模型是加油系統的抽象，仿真是對模型進行的試驗[8]。

加油系統仿真的最終目的是在計算機上實現系統的水力計算仿真、驗證模型的正確性和對仿真結果進行分析。仿真過程包括建立加油系統數學模型、仿真模型和編寫仿真程序、以試驗數據為依據對模型進行驗證與校核、對仿真試驗數據進行分析等步驟。加油系統仿真實際是由三個基本活動構成，即建立系統數學模型、構造仿真模型和進行仿真實驗。系統、模型（或含系統中的某些實物）、計算機（或含某些物理效應設備）是聯系這三個活動的要素。它們的關系如圖1所示。

圖1 加油系統仿真的三要素及其基本活動

3.2 系統仿真的步驟及流程

加油系統仿真的主要目的是為了對系統水力計算進行仿真，通過仿真試驗來求解系統支管的流量和管路摩阻損失。根據仿真試驗的結果，研究和分析實際系統的管路特性和工況變化規律，進而了解系統參數的變化對工況的影響。為了能夠得到準確的仿真結果，就必須對模型進行研究和反復修改，經過多次運行才能符合系統仿真的要求。

從建模與仿真技術的角度來看，可以將加油系統仿真過程分為模型建立、模型變換、模型試驗三個階段。模型建立階段的主要任務是根據加油系統建模仿真的目的、系統的工作及調節原理和管路、介質等已知參數建立加油系統的數學模型。模型變換階段的主要研究內容是根據加油系統數學模型的形式、仿真的目的，選擇合適的算法將模型轉化成仿真模型，編寫仿真程序。模型試驗階段的主要任務是改變工作支管數量，計算不同工況下的支管流量和節點壓頭，并對輸出結果進行整理、分析，總結系統特性和規律，這一階段的關鍵技術是仿真軟件及編程技術。按三個階段劃分的仿真過程如圖2所示。

圖2 計算機仿真的三個階段

加油系統仿真的三個階段不能全面地反映系統建模與仿真的整個流程，所以本文將加油系統建模與仿真過程分為以下步驟：明確目的、系統分析、建立數學模型、數據的收集、建立仿真模型、模型驗證和模型確認、仿真試驗設計、仿真運行、仿真結果分析。

圖3 群車加油車加油系統仿真流程

將以上十個步驟總結為加油系統仿真流程，如圖3所示。通過對流程圖的分析，可以將仿真流程表述如下：明確建模與仿真的目的，通過分析加油系統的工況和特性并收集系統相關參數，根據管網水力計算基本原理建立系統數學模型；以Matlab為平臺，編寫仿真程序，并對程序進行修改和對仿真模型進行確認。若模型是合理的，就按照不同的工況進行計算，得出仿真結果，并進行分析和總結；若模型不合理，分別判斷是否為程序問題、仿真模型問題或系統模型問題，針對出現的問題進行修改，使仿真結果準確合理。

4 結論

本文通過介紹了群車加油系統的基本結構和工作特點，提出了加油系統的基本模型，包括拓撲結構模型、數學模型和仿真模型；闡述了改進關聯矩陣法、構造距離矩陣法和依次建模法，建立加油系統模型；建立了加油系統仿真的步驟及流程，為群車加油系統的建模與仿真研究的進一步深入奠定了基礎。

[1]劉興堂，梁炳成，劉力，何廣軍等.復雜系統建模理論、方法與技術[M].北京：科學出版社，2008，6.

[2]馬振利.S07-10管越野群車加油車定型材料匯編.重慶：解放軍后勤工程學院，2007，11.

[3]唐鳳舉，楊慧珍，高立娥.現代仿真技術與應用[M].北京：國防工業出版社，2010，4.

[4]FrankR.Giordano，William P.Fox，Steven B.Horton，Maurice D.Weir.Mathematical Modeling[M].2009，10.

[5]嚴煦世，劉遂慶.給水排水管網系統[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2008，8.

[6]彭曉源.系統仿真技術[M].北京：北京航空航天出版社，2006，12：1.

[7]張毅，王士星，等.仿真系統分析與設計[M].北京：國防工業出版社，2010，4.

[8]趙經成.虛擬仿真訓練系統設計與實踐[M].北京：國防工業出版社，2008，5.