基于AMESim的AUV推進系統建模及仿真驗證

趙春城, 郭 佳, 徐渴望, 張 瑋

基于AMESim的AUV推進系統建模及仿真驗證

趙春城1, 郭 佳1, 徐渴望1, 張 瑋2

(1. 中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室, 江蘇 無錫, 214082; 2. 海軍研究院, 北京, 100161)

針對自主水下航行器(AUV)推進系統設計早期驗證的需求, 提出了推進系統虛擬集成模型仿真驗證方法。通過分析AUV推進系統組成和機槳匹配設計原理, 分別建立AUV阻力特性、螺旋槳特性、推進電機和動力電池的AMESim仿真模型, 進而實現推進系統綜合虛擬集成, 并以此作為AUV虛擬航行閉環測試環境, 開展AUV快速性、機槳匹配特性、電氣參數變化影響規律以及動力電池選型方案的仿真分析。仿真結果驗證了推進系統設計方案的匹配性, 可為AUV推進系統設計優化以及部件選型提供參考。

自主水下航行器; 推進系統; 匹配設計; AMESim建模; 虛擬集成

0 引言

為了使自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)保持一定的速度向前航行, AUV推進系統必須產生一個與航行阻力大小相等、方向相反的推力。AUV通常采用螺旋槳推進的方式, 由推進電機驅動螺旋槳旋轉產生推力[1]。在AUV外形阻力一定的條件下, 推進系統性能是影響其快速性的決定因素, 同時推進效率對AUV能源大小核算至關重要[2]。

目前, AUV推進系統設計工作多圍繞減小外形阻力、優化螺旋槳性能等方向開展。李龍等[3]通過優化AUV的Myring外形曲線、設計高效率螺旋槳和匹配電機選型等方法, 來保證整個推進系統的效率最優。張若初等[4]基于RANS數值計算方法, 實現AUV阻力、螺旋槳敞水特性的預測, 并開展了自航模擬。李桂倉[5]計算了海洋擾動對AUV阻力和螺旋槳特性的影響, 定性分析了艇機槳匹配特性, 提出垂向姿態控制策略。但是, 上述文獻均未涉及AUV、推進電機及螺旋槳三者匹配驗證的研究, 尤其是沒有考慮系統部件參數變化對系統性能的影響。

AUV快速性不僅取決于其本體、螺旋槳和推進電機的單獨性能, 而且與它們配合是否得當有關[5]。受實際條件限制, AUV機槳匹配性能的好壞要延后至自航試驗階段才能判斷, 早期設計驗證缺乏有效的方法和手段, 這增加了AUV設計失敗的風險。此外, 機槳匹配設計過程復雜, 存在計算量大、工況分析不全面等問題。文章針對AUV推進系統設計早期“早快全準”的驗證需求, 在分析AUV推進系統匹配原理的基礎上, 建立了推進系統的虛擬集成模型, 實現了基于模型驅動的系統級閉環仿真、驗證和分析, 仿真結果可為推進系統匹配特性評估、推進電機性能優化、動力電池選型提供參考依據。

1 AUV推進系統分析

某型AUV載體采用魚雷外形和模塊化設計方案, 主要用于執行深海近底探測任務。AUV直徑533 mm, 長4.5 m, 最大航速3 kn, 巡航速度2 kn, 續航時間24 h。根據總體設計要求, 開展滿足AUV機動性的推進系統設計。

1.1 AUV推進系統組成

該型AUV以走航式探測作業為主, 總體核心指標為航速和續航時間, 因此推進系統采用單主推進器方案, 螺旋槳布置在AUV艉部, 以降低其整體阻力, 提高推進效率。推進系統由動力電池、推進電機和螺旋槳等主要部件組成, 螺旋槳由推進電機帶動旋轉, 產生航行所需要的推力, 動力電池為推進電機提供能量。推進系統各組成部件安裝在AUV艉部, 構成相對獨立的動力推進模塊。

1.2 AUV機槳匹配設計原理

AUV推進系統設計復雜之處在于系統各組成部件之間的相互耦合作用, 其機槳匹配設計原理如圖1所示。AUV機槳匹配特性的好壞直接影響到其航速、推進效率等總體性能, 由艇機槳匹配理論可知, 如果匹配不好則會出現“槳重”或“槳輕”的現象, 螺旋槳吸收功率達不到推進電機額定功率, 最終AUV實際航行速度達不到設計速度[6]。

此外, 螺旋槳在AUV本體后工作, 兩者之間必然存在相互作用, 如果對推進性能進行精細計算, 就要考慮AUV與螺旋槳的相互影響, 常用推力減額和伴流來表示: 螺旋槳進速等于經修正伴流后的航速; 考慮推力減額后的螺旋槳有效推力等于AUV阻力。推力減額、伴流與AUV外形、螺旋槳尺度以及螺旋槳安裝位置等因素有關, 需要通過模型試驗等方法測定。

2 AUV推進系統建模

AMESim軟件是一個多領域復雜機電系統圖形化建模仿真平臺?；诮涍^驗證的專業庫元件, 工程師可以快速、準確地創建AUV推進系統仿真模型, 無需編寫額外代碼。模型拓撲結構與推進系統原理圖相似, 簡潔易理解, 便于后期維護和重用。AMESim具備批處理功能, 有利于分析不同工況、不同設計參數對AUV推進性能的影響。文章重點研究AUV推進系統各組成部件匹配情況, 不再贅述其詳細設計過程, 直接給出方案設計結果和模型參數。

2.1 AUV阻力特性模型

AUV本體是推進系統的負載, 其阻力特性可用隨航速變化的阻力來表示

AUV有效功率為

圖2 AUV阻力及有效功率曲線

AUV縱向運動方程表示為

由式(1)和式(3)可知, AUV本體相當于AMESim機械庫中的帶摩擦力質量塊元件。設置mass參數值為800 kg, 代表AUV質量; 設置coefficient of windage參數值為28 N/(m·s–1)2, 代表AUV總阻力系數C。

2.2 螺旋槳特性模型

依據AUV本體阻力、有效功率和航行速度等數據, 采用圖譜設計法進行螺旋槳的水動力設計。螺旋槳設計直徑0.38 m, 葉數為3, 額定轉速360 r/min, 0.7螺距比0.9, 轂徑比0.18, 建立三維幾何模型并在CFD中進行螺旋槳敞水性能數值計算, 結果如圖3所示。

圖3 螺旋槳敞水特性曲線

螺旋槳特性模型反應其推力、轉矩以及敞水效率隨進速系數的變化關系[4]。根據螺旋槳設計理論, 螺旋槳進速系數計算公式為

螺旋槳推力

螺旋槳轉矩

利用AMESim信號庫元件建立螺旋槳特性模型, 如圖4所示, 使用2個一維數表元件存儲圖3中的螺旋槳敞水特性曲線, 根據式(4)實時計算螺旋槳進速系數, 然后插值得到螺旋槳的推力系數K和轉矩系數K, 最后基于式(5)和式(6)計算得到螺旋槳推力和反作用于推進電機軸的轉矩。

圖4 螺旋槳特性一維數表模型

2.3 推進電機模型

以螺旋槳設計結果作為推進電機選型輸入, 初步確定推進電機的主要技術參數如下: 無刷直流電機額定電壓48 V, 額定轉速360 r/min,額定轉矩4.8 N·m, 最大軸功率180 W, 空載最大轉速400 r/min, 效率0.82。

推進電機模型由電機的機械特性表示, 無刷直流電機的轉矩計算公式為

為了精確預測推進系統性能, 研究單個部件特性變化對系統整體性能的影響, 查詢電機產品手冊曲線, 利用AMESim軟件的二維數表模型來精確定義推進電機的機械特性, 如圖5所示。圖5中1軸坐標為電機轉速,2軸坐標為供電電壓,軸為電機最大扭矩。由于方案設計早期并不關心推進電機的高頻控制特性, 因此推進電機建模使用AMESim電機與驅動庫中的準靜態電機元件。

圖5 推進電機機械特性二維數表模型

2.4 動力電池模型

推進能源分配以續航力24h@2kn的總體設計要求進行核算, 設計早期階段需要驗證推進能源分配是否滿足續航力的要求。選用鋰離子電池, 單體容量4.3 Ah, 標稱電壓3.7 V, 13串8并結構, 額定電壓48 V。放電曲線反應電池特性, 圖6所示為待選型電池型號A、B樣品的放電測試曲線, 其中橫坐標為剩余電量(state of charge, SOC); 縱坐標為開路電壓(open circuit voltage, OCV)。需在虛擬集成仿真環境中評估2型電池的性能以指導選型。

圖6 動力電池樣品放電曲線

選擇AMESim電池庫中的準靜態鋰離子電池元件建立動力電池模型, 利用數表編輯器功能將圖6中的2條放電測試曲線分別保存為data文件, 用于描述動力電池模型的特性。

2.5 AUV推進系統綜合虛擬集成

由于文中AUV長期處于深海近底環境中, 海洋水文觀測資料表明, 深層海流速度大小約0~ 0.15 m/s, 平均值小于0.05 m/s[7-8], 海流影響相對于AUV航速可不計。另一方面, 由船舶推進理論可知, 船舶快速性和船機槳匹配研究的是靜水性能, 不同來流工況相當于AUV航速的改變。綜合上述分析的原因, 在AUV推進系統綜合虛擬集成時忽略海流因素。

AUV推進系統綜合虛擬集成是基于AUV-機-槳三者的能量傳遞關系, 按照圖1中推進系統匹配原理和實際接口, 在AMESim軟件中把已經建立的系統各組成部件的獨立模型有機整合連接起來[9]。推進電機軸不經減速器直接與螺旋槳連接, 推進電機轉速等于螺旋槳轉速; 螺旋槳模型與阻力模型的耦合則需要考慮推力減額和伴流的影響。螺旋槳進速計算公式為

螺旋槳有效推力計算公式為

式中:為伴流分數;為推力減額分數, 二者的測試過程十分復雜, AUV設計早期較為常見的方法是參考潛艇的取值范圍[2]。文中取=0.1,=0.2。

根據推進系統架構和匹配原理, 參照式(8)和式(9)確定的模型耦合關系, 最終建立AUV推進系統的虛擬集成模型如圖7所示, 系統仿真模型拓撲結構與推進系統實際物理架構相似, 結構簡潔、可讀性好。圖7使用AMESim的超級元件功能, 將圖4中的螺旋槳數表框圖封裝為一個超級元件PROPELLER, 以使得系統整體仿真模型更加簡潔緊湊。

圖7 AUV推進系統虛擬集成模型

3 仿真驗證與分析

針對AUV推進系統的虛擬集成模型開展虛擬航行試驗, 對推進系統設計匹配情況進行全面的仿真、分析和驗證。模型如圖7所示, 其中AUV航速控制器基于比例積分(proportion-integration, PI)控制方法設計, 利用試湊法取=3.0,=0.3;V為AUV設定航速。

3.1 AUV快速性仿真驗證

AUV推進系統首先應滿足AUV快速性的要求。設定AUV航速V分別為2.0 kn、3.0 kn和4.0 kn, 仿真得到AUV運動速度響應曲線如圖8所示。從仿真結果曲線可知, AUV實際航速分別能夠達到2.0 kn和3.0 kn的設定值, 但受到推進電機功率限制, AUV實際能達到的最大航速為3.25 kn?？焖傩苑抡骝炞C了AUV推進系統設計結果滿足最大航速3 kn的總體要求。

圖8 AUV運動速度曲線

3.2 AUV機槳匹配特性仿真驗證

設計工況下AUV機槳匹配特性是指其在設計阻力特性下航行的推進系統穩態性能。供電電壓48 V, 改變AUV的設定航速值V, 仿真得到其推進系統參數變化規律如表1所示。由表1可知, AUV在最大航速下推進電機軸功率為174.0 W, 主機功率利用率較好; 當AUV在設計工況下穩定航行時, 螺旋槳進速系數為定值0.64, 螺旋槳效率為0.67, 螺旋槳工作狀態良好。表1的仿真數據驗證了AUV機槳匹配情況較好。

表1 AUV機槳匹配特性仿真結果

非設計工況下AUV機槳匹配特性是指分析其阻力特性發生變化時推進系統的穩態性能。實際工程中, AUV動力推進艙段一般不做改動, 但會根據作業任務需要調整有效載荷艙段長度, 或者外掛儀器甚至拖曳設備, 這都會導致阻力的增加, 從而打破系統原來的靜態匹配狀態。將AUV總阻力系數C分別增加10%、30%和50%, 先設定航速V為2.0 kn, 記錄仿真結果如表2所示, 可見隨著阻力的增加, 螺旋槳轉速增高、進速系數減小, 螺旋槳效率降低。然后再設定航速V為3.25 kn, 記錄最大航速變化如表2所示, 可見AUV的最大航速隨阻力的增加而顯著減小。

表2 不同AUV阻力系數對推進性能的影響

3.3 電氣特性對推進系統性能的影響分析

將推進電機與動力電池的耦合作用影響稱為AUV推進系統的電氣特性。通常AUV供配電系統不配置變電或穩壓模塊, 以提高電氣系統效率, 減小AUV的質量。暫選動力電池為型號A, 設定AUV航速V分別為2.0 kn和3.25 kn, 剩余電量低于15%時停止仿真, 仿真結果如圖9所示。AUV在整個續航周期內航速均可達到2.0 kn, 而當電量剩余66%時, 最大航速從3.25 kn開始逐漸下降, 電量剩余31%時最大航速減小至3.0 kn, 電量剩余15%時最大航速只有2.8 kn。

圖9 剩余電量對AUV快速性的影響

圖10為最大航速工況下剩余電量對電機性能影響的仿真結果, 可解釋圖9中最大航速降低的原因。隨著剩余電量減小, 電機能提供的最大轉矩也會隨著供電電壓的降低而減小。AUV以3.25 kn航行時螺旋槳轉矩需求為4.8 Nm, 而當剩余電量低于66%時, 電機最大轉矩開始低于4.8 Nm, 無法滿足螺旋槳的能量需求, 螺旋槳轉速降低, 推力減小, 最終導致AUV航速降低。仿真結果可指導推進電機選型, 提高低供電電壓下的電機最大轉矩, 可減小剩余電量變化對AUV最大航速的影響程度。

圖10 剩余電量對電機性能的影響

3.4 動力電池選型方案仿真評估

文中以AUV推進系統虛擬集成模型為動力電池閉環測試環境, 評價備選電池型號的性能, 驗證推進能源分配大小是否充足?？紤]動力電池使用的安全性, 設初始剩余電量=90%, 當SOC低于15%時停止仿真。首先, 選擇型號A為動力電池模型, 分別設置AUV航速V為2.0 kn和3.0 kn, 記錄AUV續航時間、電池放電截止電壓。然后以同樣的方法完成對型號B的測試, 仿真結果如圖11所示。在2 kn航速下, 型號A續航時間26.5 h, 比型號B續航時間多0.5 h, 但均能滿足24 h@2 kn的總體設計指標。3 kn航速下, 型號A、B的續航時間分別為8 h和7.9 h。電池包放電截止電壓分別為43 V和45 V, 滿足推進電機供電電壓48 V±15%的要求。仿真結果表明, 2型動力電池均能滿足實際使用需求, 整體性能差別不大。

圖11 不同型號動力電池性能分析

4 結束語

文中基于AMESim仿真平臺建立了AUV推進系統的虛擬集成仿真模型, 仿真結果驗證了系統設計的匹配性。該方法簡單有效, 將系統級集成試驗提前至早期設計階段, 有利于減少系統的重復設計。但是由于仿真模型的局限性和實際使用工況的復雜性, 物理試驗仍是進行AUV推進系統方案設計驗證最精確和最終的手段。隨著AUV研制過程設計和試驗數據的增多, 可以利用物理試驗結果對仿真模型進行標定與完善。

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Modeling and Simulation Verification of AUV Propulsion System Based on AMESim

ZHAO Chun-cheng1, GUO Jia1, XU Ke-wang1, ZHANG Wei2

(1. State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China; 2. Naval Academy of China, Beijing 100161, China)

To meet the requirement of early verification of autonomous undersea vehicle(AUV) propulsion system design, a simulation verification method of a virtual integration model of propulsion system is proposed. Through analysis of the composition of the AUV propulsion system and the principle of motor-propeller matching design, AMESim simulation models of AUV resistance characteristics, propeller characteristics, a propulsion motor, and power batteries are established, and a virtual integration of the propulsion system is realized. Using the integrated model as an AUV virtual navigation closed-loop test environment, a simulation analysis of AUV rapidity, motor-propeller matching characteristics, the influence law of electrical parameter change, and a power battery selection scheme is conducted. Simulation results verifythe matching of the design plan of propulsion system, thus providing a reference for AUV propulsion system design optimization and component selection.

autonomous undersea vehicle(AUV); propulsion system; matching design; AMESim modeling; virtual integration

TP242.6; U661.31

A

2096-3920(2021)01-0097-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.014

趙春城, 郭佳, 徐渴望, 等. 基于AMESim的AUV推進系統建模及仿真驗證[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(1): 97-103.

2019-12-25;

2020-03-08.

海南省重大科技計劃項目資助(ZDKJ2019002).

趙春城(1989-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向為水下無人航行器總體技術.

(責任編輯: 陳 曦)