1、全国第三届研究生数学建模竞赛全国第三届研究生数学建模竞赛题 目 维修线性流量阀时的内筒设计问题（ C 题）摘 要：常见的阀体在开关时，阀体旋转的角度与流量并不是线性关系，而在某些领域中要求二者为线性关系。本文对线性阀体的设计进行了研究，对阀体模型进行了建立与简化，并用 Matlab、Maple 等工具对模型进行了求解，给出了适用性较强的阀体设计方案。针对问题 1，首先考察了内孔为四种特殊形状的情况下， “过流面积”随曲线下降距离的变化情况，得到凸凹圆曲线与严格线性面积特性曲线偏差的平方和最小，线性关系保持得比较良好。此后利用微元法证明了“过流面积”呈严格线性变化时曲线和外孔圆交点横坐标的差为定
2、值这一性质，得出了在此种情况下曲线在两交点处的斜率应为无穷大。基于以上分析，利用最小二乘原理建立了无约束泛函极值模型，采用了变分法将其转化为微分方程，再转化为等效的变分原理，采用 Ritz 算法近似求解。最后通过对内筒孔曲线的合理假设，得到了满足线性关系较好的内孔曲线形状（见图 11） ，其样本点的偏差平方和为0.064412。针对问题 2，利用最小二乘原理建立了有约束泛函极值模型。根据文中第四节中的引理，给出理想状态下的内孔形状。之后对其进行了微调，通过牺牲严格的线性关系来使其逐渐满足两个约束 和 ，并最终找到了75%hQ8S合适的内孔设计方案（见图 13（b） ） 。最后针对外孔磨损情况提
3、出了基于自动控制理论和逆向工程技术等的解决办法。本文提出的模型是从考察内孔的特殊形状中得到启发的，从而具有实际应用价值和准确性。关键词：线性阀体 最小二乘法 泛函极值模型 变分原理 非线性规划2。参赛队号 10183011 参赛密码 （由组委会填写）1一、问题的提出阀体是我们日常工作和生活中一种十分常见的工具。它种类繁多，其中线性阀体可使阀体的旋转角度和流量成正比。因而它可使人们方便地对流量进行控制。而如何设计线性阀体成为当今控制领域中研究的热点问题之一。现在我们需要设计出一种阀体，它由两个同心圆柱筒组成。外筒固定，其侧面上有一个孔，形状为两个直径不等的圆柱体的交线。内筒和外筒轴向之间没有相对
4、运动，内筒可以自由转动。内筒的侧面上也有一个孔，但它原来的形状未知。要求设计出内筒孔的形状，使得“过流面积”与内筒旋转角成近似线性关系；在线性区间至少达“最大范围”区间长度的 75%以上，而且主要工作区的最大“过流面积”至少要达到外筒孔面积的 85%以上，并且使“过流面积”和内筒的旋转角度之间的“线性关系”尽量好的约束限制下，重新设计内筒孔的形状。并且还要考虑当外筒孔发生磨损时要采取的应对措施。二、模型假设1、阀体的旋转角度与内圆筒相对移动距离成正比，圆筒移动距离与“过流面积”成正比。2线性阀体内外筒为薄壁筒，不考虑其壁厚给设计带来的影响。3、外圆筒直径与外圆孔直径相差很大，展开后外圆孔面积变
5、化足够小，可近似视为圆形。4、内筒在转动过程中，只存在周向水平运动，不存在垂直方向的运动。5、假设内圆孔设计曲线与外圆孔曲线最多只有两个交点，可以有一段相切，且曲线连续。6、为简化计算，假设外圆孔半径为一个单位长度。三、变量设定：圆的半径，在本文中 为一个单位长度 1；RR：待求内孔的曲线方程；Fx：内孔下边沿曲线方程；f：外圆孔上半圆方程， 即圆的方程 ；Gx 21yx21xy：曲线下降的距离微元；h：曲线 下降到某一位置时其与初始位置的距离；F2：曲线 从初始位置下降至“过流面积”达到最大值时的距离；maxhFx、 、 、 ：分别表示曲线 F(x)在移动过程中与曲线 G(x)的交点；ABC
6、D， ， ， ：分别表示点 、 、 、 的坐标值；1,y2,3,y4,xABCD：曲线 下降的距离与“过流面积”之间的线性比例；kFx：曲线下降 时“过流面积”的增加量；Shh：“过流面积”的理想值， 。hk四、问题的分析本文将内外两个圆柱筒展开为平面，得到两个长方形，于是将三维空间中物体的转动问题化简为二维平面上内孔与外孔相对移动的问题来求解，此外根据问题假设可将外筒孔近似视为圆孔。建立如图 1 所示直角坐标系，用以坐标原点为圆心的单位圆来表示外圆孔，X 轴与内、外筒的轴心平行。用任意曲线 表示内圆孔曲线初始位置时的一fx部分，另一部分与其组成封闭图形，但是未画出的部分与圆不相交，如图1（a
7、）所示。 （a） （b）Y轴 11-1-1 AB CD X轴()YfxH()YfxHh X轴Y轴 11-1-1 AB CD x4 x3 2图 1 曲线与圆相交求微元面积示意图3引理：若要使内孔旋转角度（称为开度）与“过流面积”满足线性关系（这种关系称为面积特性曲线） ，则内孔曲线必满足其与外孔圆的交点横坐标之差衡为常数 ，即 ，其中 分别为内孔曲线与外孔圆的交点横坐标。或者k12xk12,x可以说 即为面积特性曲线保持线性的必要条件。证明：假设某一时刻内孔曲线向下移动 与圆相交，其方程为h，当曲线向下移动微元 时， “过流面积”的增加量 由三部()fxh S分组成，两边近似三角形面积和中间矩形
8、面积（如图 1（b）所示） ，并可用以下积分表示：2 3 14 1 2() ()x x xSGfxhdGfxhdh（1）若要使内孔旋转角度（称为开度）与“过流面积”满足线性关系（这种关系式称为面积特性曲线） ，则只须使曲线的向下移动距离与“过流面积”满足线性关系即可，即微元面积 也与 有线性关系：Sh（2）k曲线与圆的交点坐标 x 由方程 （表示 下降时的曲线）求得：()Gxf()fx， （32()1()iiiiGxffh1,2i）， （4）2()()iiiifxf3,4i整理方程（1）至（4）得：（5）2 34 112() ()()() ()gh ghghGfhdxGxfhdxdxk其中 表
9、示利用（3） 、 （4）式算出的 关于自变量 的表达式，i ix，将（5）式整理可得：1,4（6）2 34 1() ()4 34()()ghghGxfdGxfdkh两边同时取微分，并用 代替 ，整理可得：ixigh42 122134443334()()() ()() )dghdghGxfGxfxk在满足 条件下，根据方程（3） 、 （4）得：0h（7）3xk即： 12（7）式的含义为：如果“过流面积”线性增加，则内孔曲线必满足其与外孔圆的交点横坐标之差为常数 。即在 向下移动过程中，其与圆的交点横坐标kfx之差为常数 。到此引理证明完毕。k以下在面积特性曲线呈严格线性关系时，对曲线 的形状进行
10、讨论。()fx沿坐标系 轴的负方向移动，根据 在与外孔圆交点处的斜率分两种情()fxy()fx况讨论：1. 如果斜率的符号相反，则下一时刻新产生交点的横坐标必然一个增大一个减小，那么它们的差值改变，因而不满严格足线性关系；2. 如果斜率的符号相同，在曲线下移过程中两交点横坐标在某一时间段内的增减情况是一致的，但是当 的某一交点先和外孔圆与 X 轴的交点重合()fx后，该分支与外孔圆交点的横坐标的增减情况将改变，而另一交点横坐标的增减情况保持不变，此时差值改变，同样也不满足严格线性关系。由以上分析我们得出结论：只有在曲线 在同外孔圆两交点处的斜率都()fx是无穷大的情况下，两交点的横坐标的差才是
11、恒定的，此时，曲线下移距离与“过流面积”呈严格线性关系，见图 2。5X 轴Y 轴11- 1- 1x3x4由上图可见该曲线从开始下降到 A 点时，完全满足面积特性曲线呈线性关系，但是在 A 点以下就出现了非线性，且不满足题目中“最大范围”为外筒孔面积的要求，因此不可能存在严格线性关系的面积特性曲线，即不能通过选择内筒孔形状实现“过流面积”与内筒旋转角度呈严格的线性关系。但此曲线证明了只要曲线与圆相交两点的横坐标之差为常数，那么面积特性曲线一定是线性的。当曲线与圆相交面积最大时即为外圆的面积 ，又因为面积与下降2R距离成线性比例，故 maxkh五、基于问题 1 的模型建立1.模型探索在二维坐标系内
12、，假设内孔曲线沿 Y 轴负方向移动。为了探索最佳内孔曲线形状，本文首先考虑四种特殊的内孔：矩形孔，凸圆孔，凹圆孔和凸凹圆孔，分别见图 3，图 4，图 5 及图 6。图 2 满足理想线性关系的内孔形状6X 轴Y 轴11- 1- 1X 轴Y 轴11- 1- 1X 轴Y 轴11- 1- 1X 轴Y 轴11- 1- 1以下利用方差分析评价四种不同形状内孔的控制效果。根据最小二乘原则可得：面积特性曲线与严格面积特性曲线偏差的平方和越小，则其控制效果越好。(1)矩形内孔：矩形是最为简单的情况，它在移动过程中与外圆孔所围面积可表示为： 2()arcos(1)Shhh在曲线 上均匀选取 200 个样本点，利用
13、最小二乘法求得其与理想面积曲线()Sh偏差的平方和为 3.4190。(2)凸圆孔：凸圆与外圆孔所围面积可表示为：。2122(1)xyxhd由两圆方程可得方程组 ，求解得到上式的积分区间为2x。选取样本点后利用最小二乘法求得其与理想面积曲线224,hh图 3 矩形孔 图 4 凸圆孔图 5 凹圆孔 图 6 凸凹圆孔7偏差的平方和为 13.6761。(3)凹圆孔：我们设开始时凹圆和外圆孔是相切的，其方程为 ，下降21yx后凹圆与外圆孔相交的边界曲线方程为 ，而外筒孔下半圆曲线h 21yxh方程为 。因而，凹圆与外圆孔所围面积为221yx。21()xyyd由 可得到上式的积分区间为 。选取样本点21y
14、xh 224,hh后利用最小二乘法求得其与理想面积特性曲线偏差的平方和为 13.6761。(4)凹凸圆孔：凹凸圆与外圆孔所围面积分为 Y 轴左边凸圆与外圆孔所围面积和Y 轴右边凹圆与外圆孔所围面积之和。我们分别计算两部分面积，左边凸圆与外圆孔所围面积为：，1022(1)xyxhd我们由 得出上式中的 。21yhx14右边凹圆与外圆孔所围面积为：，2220()xyhxd由 得出上式中 。选取样本点后利用最小二乘法求得21yxh24所对应的曲2102 220()1(1)xxxdhxd 线与理想面积特性曲线偏差的平方和为 0.4750。以上四种内孔形状控制的面积特性曲线于严格的线性面积特性曲线如图
15、7所示。通过对上述几种特殊形状内孔面积特性曲线的分析可知，凸凹圆作为内孔的形状对砂浆流量的控制效果比较理想，然而与实际精度要求还相差甚远。2.建立泛函极值模型结合以上对问题的分析和模型的初探，发现选取极特殊的内孔形状无法得到较理想的面积特性曲线，为了更精确地逼近线性面积特性曲线，本文引入了最小二乘法的思想，通过残差的平方和是否达到最小，来判断面积特性曲线是否最优。80 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 200.511.522.533.5F(x)下下下下下h下下下下S(h)下下下下 下下 下下下下下下下为了使“过流面积”最大，内孔曲线形状的上半部分须全部与外孔上半圆相交（见图中阴影部分重合） ，因而假设内孔曲线形状上半部分为半圆，而其余部分的形状未定，为了简化计算，可以假定内孔曲线形状的右半部分为直线，进一步可以假定是一条竖直线，根据以上分析内孔曲线形状大致可取如图 8 中的粗实线形状，这样只需确定图中的曲线 形状即可。()fxX 轴Y 轴11- 1- 1()fx定义：对某一类函数 中的每一个函数 有一个 的值与之对应，()yx()yxv那么变量 称为依赖于函数 的泛函，记作：v v图 7 5 种面积特性曲线的比较图 8 内外孔曲线示意图
