群车加油系统建模与仿真概述

陈腾浩，马振利，韩建荣

后勤工程学院，重庆 401311

0 引言

群车加油车是我军主要的战术机动油料保障骨干装备，是为实现野战条件下为集群车辆实施快速加油而设计的，是我新装备的使用往往伴随着训练方法和经验的不足，为了能够解决这一问题，构建群车加油车仿真训练系统就成为了其配备部队后的一个亟待解决的问题。加油系统作为越野群车加油车的核心系统，其工况建模与仿真技术研究就成为了该装备仿真训练系统的核心。

1 群车加油系统概述

1.1 群车加油系统的概念及结构

根据系统的定义及其特征[1]，群车加油系统可以认为是具有特定功能、按照工艺流程结合起来的各种功能部件的总称，可定义为：由储油罐（油源）、油泵（动力源）、管路、各类阀门、仪表、加油枪及其它部件按照一定的工艺流程和组合方式组成的、能够实现群车加油作业的多分支管路系统。

加油系统（以下简称加油系统）作为群车加油车的作业系统，主要由车内管路和车外管路系统两部分组成。车内管路系统主要由过滤分离器、流量计、单枪弹簧卷盘、阀门和管路等组成，安装在操作舱内，可以完成泵油、过滤、计量、控制加油压力、流程切换和零星车辆加油等基本功能[2]。

车外管路系统是车内管路系统的延伸，是为集群车辆加油的必备部分，主要由80m输油软管、8根加油胶管和8把加油枪，以及相配套的灭火器、加油枪挂架等构成。

1.2 加油系统工作特点

由于其完成油料补给任务的特殊性，工作特点与不同于一般多分支管路系统，主要有以下几个特点：

1）系统工况随机多变。加油过程中，各受油装备起始和结束加油的时间不一致或受油能力的不同，开启加油枪数不同，使得系统工况也随着加油枪开启数量的不同而发生变化。依据排列组合知识和系统实际情况，可计算出加油系统共有9864100种可能工况。由于开启加油枪数量一定时，其计算方法是相同的，据此可以将工况分为1023种工况组合和10类加油模式；

2）系统流量突变。加油系统流量与开启加油枪的数量成正比，装备在受油过程中，加油枪开启或关闭都是在很短的时间内完成，支管流量将从最大（或零）变为零（或最大），使得系统流量发生突然变化，然后在调节装置的作用下趋于稳定；

3）系统管端压力比较稳定。系统压力是系统的一个重要指标，过高或过低都将影响加油系统的正常工作，滑片泵的额定压差为0.4MPa，但系统的设计压力为0.22MPa～0.29MPa，当系统工况发生变化时，系统压力始终在设计压力范围内变化，且变化较小。

2 群车加油系统建模概述

2.1 加油系统基本模型

系统模型[3]是对实际系统的一种抽象，是系统本质的表述，是人们对客观世界反复认识、分析，经过多级转换、整合等相似过程而形成的最终结果，它具有与系统相似的数学描述或物理属性，以各种可用的形式，给出研究系统的信息。加油系统模型是对实际系统功能和结构的抽象，能够正确反映实际加油系统的主要功能、特性、规律及工况变化对系统造成的影响，具有与实际系统相似的数学描述和物理属性，是研究群车加油系统的基础。根据加油系统研究的侧重点不同，可以建立不同的模型，以达到分析和研究系统规律的目的。

拓扑结构模型（又称管网模型）。该模型是根据加油系统的基本结构和图论理论，将整个系统看做是由节点和管段组成的管网模型，其中节点和管段相连，系统拓扑结构只表示系统之间的内在联系，并不代表实际系统的真实结构。该模型可以更直观地认识加油系统的基本结构，是分析系统工况和规律的基础。

数学模型。该模型是在简化系统结构和构建系统拓扑结构的基础上，根据管网水力计算基本方程，以数学表达式的形式将系统内在的关系、特征、运行规律等进行抽象，从数学角度对加油系统进行描述的模型。数学模型是非线性的节点流量和节点压头方程组，遵循水力计算的基本原理和规律。

仿真模型。将建立好的加油系统数学模型根据仿真建模的基本原理转换成能在计算机上运行的仿真模型，即通过仿真程序实现的模型。

2.2 加油系统建模方法

加油系统属于多分支管路系统，是管网系统的一种特殊形式，其基本结构和管路特性是已知的，其模型分为数学模型和仿真模型，建模方法主要是围绕建立加油系统数学模型和仿真模型展开论述。

建立加油系统模型的目的是为了实现不同工况下的支管流量、节点压头和系统压力的计算与仿真。系统是由干管和支管共同组成的多分支管路，遵循管网水力计算的基本原理和规律。根据系统的基本结构和工作原理，运用图论知识构建系统管网图，分析系统的工况及影响因素，确定输入参数和目标参数。综合运用管网水力学和流体力学基本方程，建立系统的节点连续方程、管段压降方程和节点压头方程。建模过程中可以用三种方法建立系统的数学模型和仿真模型，分别为：改进关联矩阵法、构造距离矩阵法和依次建模法。

改进关联矩阵法[4]：就是将管网中的关联矩阵进行改进，去掉支管的末端点，即在构建关联矩阵的过程中减少了矩阵的行数，依据改进后的关联矩阵建立随机工况模型。

构造距离矩阵法：为了能够实现系统的随机工况的计算，构建了以支管间的距离为元素的矩阵，根据水利计算原理建立随机工况模型。

依次建模法：这也是最原始的一种计算方法，其过程就是根据不同工况所处的状态，逐一对系统的目标参数逐一进行求解，虽然过程直接，但效率太低。

3 加油系统仿真概述

3.1 系统仿真的定义

文献[1]中定义为：系统仿真就是建立系统模型，并利用该模型运算，进行科学试验研究的全过程。虽然对系统仿真做出了解释，但不全面。目前人们普遍接受的概念是：系统仿真是以相似原理、系统技术、信息技术以及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种模拟器及专用物理设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门综合性技术[5-7]。

依据系统仿真的定义，将加油系统仿真概括为：通过对系统结构进行分析，以水力计算理论为基础建立系统的数学模型，将数学模型转换为能在计算机上求解的仿真语言和进行解算的过程，并对模型进行验证和校核。加油系统是研究的对象，模型是加油系统的抽象，仿真是对模型进行的试验[8]。

加油系统仿真的最终目的是在计算机上实现系统的水力计算仿真、验证模型的正确性和对仿真结果进行分析。仿真过程包括建立加油系统数学模型、仿真模型和编写仿真程序、以试验数据为依据对模型进行验证与校核、对仿真试验数据进行分析等步骤。加油系统仿真实际是由三个基本活动构成，即建立系统数学模型、构造仿真模型和进行仿真实验。系统、模型（或含系统中的某些实物）、计算机（或含某些物理效应设备）是联系这三个活动的要素。它们的关系如图1所示。

图1 加油系统仿真的三要素及其基本活动

3.2 系统仿真的步骤及流程

加油系统仿真的主要目的是为了对系统水力计算进行仿真，通过仿真试验来求解系统支管的流量和管路摩阻损失。根据仿真试验的结果，研究和分析实际系统的管路特性和工况变化规律，进而了解系统参数的变化对工况的影响。为了能够得到准确的仿真结果，就必须对模型进行研究和反复修改，经过多次运行才能符合系统仿真的要求。

从建模与仿真技术的角度来看，可以将加油系统仿真过程分为模型建立、模型变换、模型试验三个阶段。模型建立阶段的主要任务是根据加油系统建模仿真的目的、系统的工作及调节原理和管路、介质等已知参数建立加油系统的数学模型。模型变换阶段的主要研究内容是根据加油系统数学模型的形式、仿真的目的，选择合适的算法将模型转化成仿真模型，编写仿真程序。模型试验阶段的主要任务是改变工作支管数量，计算不同工况下的支管流量和节点压头，并对输出结果进行整理、分析，总结系统特性和规律，这一阶段的关键技术是仿真软件及编程技术。按三个阶段划分的仿真过程如图2所示。

图2 计算机仿真的三个阶段

加油系统仿真的三个阶段不能全面地反映系统建模与仿真的整个流程，所以本文将加油系统建模与仿真过程分为以下步骤：明确目的、系统分析、建立数学模型、数据的收集、建立仿真模型、模型验证和模型确认、仿真试验设计、仿真运行、仿真结果分析。

图3 群车加油车加油系统仿真流程

将以上十个步骤总结为加油系统仿真流程，如图3所示。通过对流程图的分析，可以将仿真流程表述如下：明确建模与仿真的目的，通过分析加油系统的工况和特性并收集系统相关参数，根据管网水力计算基本原理建立系统数学模型；以Matlab为平台，编写仿真程序，并对程序进行修改和对仿真模型进行确认。若模型是合理的，就按照不同的工况进行计算，得出仿真结果，并进行分析和总结；若模型不合理，分别判断是否为程序问题、仿真模型问题或系统模型问题，针对出现的问题进行修改，使仿真结果准确合理。

4 结论

本文通过介绍了群车加油系统的基本结构和工作特点，提出了加油系统的基本模型，包括拓扑结构模型、数学模型和仿真模型；阐述了改进关联矩阵法、构造距离矩阵法和依次建模法，建立加油系统模型；建立了加油系统仿真的步骤及流程，为群车加油系统的建模与仿真研究的进一步深入奠定了基础。

[1]刘兴堂，梁炳成，刘力，何广军等.复杂系统建模理论、方法与技术[M].北京：科学出版社，2008，6.

[2]马振利.S07-10管越野群车加油车定型材料汇编.重庆：解放军后勤工程学院，2007，11.

[3]唐凤举，杨慧珍，高立娥.现代仿真技术与应用[M].北京：国防工业出版社，2010，4.

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

[5]严煦世，刘遂庆.给水排水管网系统[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008，8.

[6]彭晓源.系统仿真技术[M].北京：北京航空航天出版社，2006，12：1.

[7]张毅，王士星，等.仿真系统分析与设计[M].北京：国防工业出版社，2010，4.

[8]赵经成.虚拟仿真训练系统设计与实践[M].北京：国防工业出版社，2008，5.