基于AMESim的AUV推进系统建模及仿真验证

赵春城, 郭 佳, 徐渴望, 张 玮

基于AMESim的AUV推进系统建模及仿真验证

赵春城1, 郭 佳1, 徐渴望1, 张 玮2

(1. 中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室, 江苏 无锡, 214082; 2. 海军研究院, 北京, 100161)

针对自主水下航行器(AUV)推进系统设计早期验证的需求, 提出了推进系统虚拟集成模型仿真验证方法。通过分析AUV推进系统组成和机桨匹配设计原理, 分别建立AUV阻力特性、螺旋桨特性、推进电机和动力电池的AMESim仿真模型, 进而实现推进系统综合虚拟集成, 并以此作为AUV虚拟航行闭环测试环境, 开展AUV快速性、机桨匹配特性、电气参数变化影响规律以及动力电池选型方案的仿真分析。仿真结果验证了推进系统设计方案的匹配性, 可为AUV推进系统设计优化以及部件选型提供参考。

自主水下航行器; 推进系统; 匹配设计; AMESim建模; 虚拟集成

0 引言

为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推进系统必须产生一个与航行阻力大小相等、方向相反的推力。AUV通常采用螺旋桨推进的方式, 由推进电机驱动螺旋桨旋转产生推力[1]。在AUV外形阻力一定的条件下, 推进系统性能是影响其快速性的决定因素, 同时推进效率对AUV能源大小核算至关重要[2]。

目前, AUV推进系统设计工作多围绕减小外形阻力、优化螺旋桨性能等方向开展。李龙等[3]通过优化AUV的Myring外形曲线、设计高效率螺旋桨和匹配电机选型等方法, 来保证整个推进系统的效率最优。张若初等[4]基于RANS数值计算方法, 实现AUV阻力、螺旋桨敞水特性的预测, 并开展了自航模拟。李桂仓[5]计算了海洋扰动对AUV阻力和螺旋桨特性的影响, 定性分析了艇机桨匹配特性, 提出垂向姿态控制策略。但是, 上述文献均未涉及AUV、推进电机及螺旋桨三者匹配验证的研究, 尤其是没有考虑系统部件参数变化对系统性能的影响。

AUV快速性不仅取决于其本体、螺旋桨和推进电机的单独性能, 而且与它们配合是否得当有关[5]。受实际条件限制, AUV机桨匹配性能的好坏要延后至自航试验阶段才能判断, 早期设计验证缺乏有效的方法和手段, 这增加了AUV设计失败的风险。此外, 机桨匹配设计过程复杂, 存在计算量大、工况分析不全面等问题。文章针对AUV推进系统设计早期“早快全准”的验证需求, 在分析AUV推进系统匹配原理的基础上, 建立了推进系统的虚拟集成模型, 实现了基于模型驱动的系统级闭环仿真、验证和分析, 仿真结果可为推进系统匹配特性评估、推进电机性能优化、动力电池选型提供参考依据。

1 AUV推进系统分析

某型AUV载体采用鱼雷外形和模块化设计方案, 主要用于执行深海近底探测任务。AUV直径533 mm, 长4.5 m, 最大航速3 kn, 巡航速度2 kn, 续航时间24 h。根据总体设计要求, 开展满足AUV机动性的推进系统设计。

1.1 AUV推进系统组成

该型AUV以走航式探测作业为主, 总体核心指标为航速和续航时间, 因此推进系统采用单主推进器方案, 螺旋桨布置在AUV艉部, 以降低其整体阻力, 提高推进效率。推进系统由动力电池、推进电机和螺旋桨等主要部件组成, 螺旋桨由推进电机带动旋转, 产生航行所需要的推力, 动力电池为推进电机提供能量。推进系统各组成部件安装在AUV艉部, 构成相对独立的动力推进模块。

1.2 AUV机桨匹配设计原理

AUV推进系统设计复杂之处在于系统各组成部件之间的相互耦合作用, 其机桨匹配设计原理如图1所示。AUV机桨匹配特性的好坏直接影响到其航速、推进效率等总体性能, 由艇机桨匹配理论可知, 如果匹配不好则会出现“桨重”或“桨轻”的现象, 螺旋桨吸收功率达不到推进电机额定功率, 最终AUV实际航行速度达不到设计速度[6]。

此外, 螺旋桨在AUV本体后工作, 两者之间必然存在相互作用, 如果对推进性能进行精细计算, 就要考虑AUV与螺旋桨的相互影响, 常用推力减额和伴流来表示: 螺旋桨进速等于经修正伴流后的航速; 考虑推力减额后的螺旋桨有效推力等于AUV阻力。推力减额、伴流与AUV外形、螺旋桨尺度以及螺旋桨安装位置等因素有关, 需要通过模型试验等方法测定。

2 AUV推进系统建模

AMESim软件是一个多领域复杂机电系统图形化建模仿真平台。基于经过验证的专业库元件, 工程师可以快速、准确地创建AUV推进系统仿真模型, 无需编写额外代码。模型拓扑结构与推进系统原理图相似, 简洁易理解, 便于后期维护和重用。AMESim具备批处理功能, 有利于分析不同工况、不同设计参数对AUV推进性能的影响。文章重点研究AUV推进系统各组成部件匹配情况, 不再赘述其详细设计过程, 直接给出方案设计结果和模型参数。

2.1 AUV阻力特性模型

AUV本体是推进系统的负载, 其阻力特性可用随航速变化的阻力来表示

AUV有效功率为

图2 AUV阻力及有效功率曲线

AUV纵向运动方程表示为

由式(1)和式(3)可知, AUV本体相当于AMESim机械库中的带摩擦力质量块元件。设置mass参数值为800 kg, 代表AUV质量; 设置coefficient of windage参数值为28 N/(m·s–1)2, 代表AUV总阻力系数C。

2.2 螺旋桨特性模型

依据AUV本体阻力、有效功率和航行速度等数据, 采用图谱设计法进行螺旋桨的水动力设计。螺旋桨设计直径0.38 m, 叶数为3, 额定转速360 r/min, 0.7螺距比0.9, 毂径比0.18, 建立三维几何模型并在CFD中进行螺旋桨敞水性能数值计算, 结果如图3所示。

图3 螺旋桨敞水特性曲线

螺旋桨特性模型反应其推力、转矩以及敞水效率随进速系数的变化关系[4]。根据螺旋桨设计理论, 螺旋桨进速系数计算公式为

螺旋桨推力

螺旋桨转矩

利用AMESim信号库元件建立螺旋桨特性模型, 如图4所示, 使用2个一维数表元件存储图3中的螺旋桨敞水特性曲线, 根据式(4)实时计算螺旋桨进速系数, 然后插值得到螺旋桨的推力系数K和转矩系数K, 最后基于式(5)和式(6)计算得到螺旋桨推力和反作用于推进电机轴的转矩。

图4 螺旋桨特性一维数表模型

2.3 推进电机模型

以螺旋桨设计结果作为推进电机选型输入, 初步确定推进电机的主要技术参数如下: 无刷直流电机额定电压48 V, 额定转速360 r/min,额定转矩4.8 N·m, 最大轴功率180 W, 空载最大转速400 r/min, 效率0.82。

推进电机模型由电机的机械特性表示, 无刷直流电机的转矩计算公式为

为了精确预测推进系统性能, 研究单个部件特性变化对系统整体性能的影响, 查询电机产品手册曲线, 利用AMESim软件的二维数表模型来精确定义推进电机的机械特性, 如图5所示。图5中1轴坐标为电机转速,2轴坐标为供电电压,轴为电机最大扭矩。由于方案设计早期并不关心推进电机的高频控制特性, 因此推进电机建模使用AMESim电机与驱动库中的准静态电机元件。

图5 推进电机机械特性二维数表模型

2.4 动力电池模型

推进能源分配以续航力24h@2kn的总体设计要求进行核算, 设计早期阶段需要验证推进能源分配是否满足续航力的要求。选用锂离子电池, 单体容量4.3 Ah, 标称电压3.7 V, 13串8并结构, 额定电压48 V。放电曲线反应电池特性, 图6所示为待选型电池型号A、B样品的放电测试曲线, 其中横坐标为剩余电量(state of charge, SOC); 纵坐标为开路电压(open circuit voltage, OCV)。需在虚拟集成仿真环境中评估2型电池的性能以指导选型。

图6 动力电池样品放电曲线

选择AMESim电池库中的准静态锂离子电池元件建立动力电池模型, 利用数表编辑器功能将图6中的2条放电测试曲线分别保存为data文件, 用于描述动力电池模型的特性。

2.5 AUV推进系统综合虚拟集成

由于文中AUV长期处于深海近底环境中, 海洋水文观测资料表明, 深层海流速度大小约0~ 0.15 m/s, 平均值小于0.05 m/s[7-8], 海流影响相对于AUV航速可不计。另一方面, 由船舶推进理论可知, 船舶快速性和船机桨匹配研究的是静水性能, 不同来流工况相当于AUV航速的改变。综合上述分析的原因, 在AUV推进系统综合虚拟集成时忽略海流因素。

AUV推进系统综合虚拟集成是基于AUV-机-桨三者的能量传递关系, 按照图1中推进系统匹配原理和实际接口, 在AMESim软件中把已经建立的系统各组成部件的独立模型有机整合连接起来[9]。推进电机轴不经减速器直接与螺旋桨连接, 推进电机转速等于螺旋桨转速; 螺旋桨模型与阻力模型的耦合则需要考虑推力减额和伴流的影响。螺旋桨进速计算公式为

螺旋桨有效推力计算公式为

式中:为伴流分数;为推力减额分数, 二者的测试过程十分复杂, AUV设计早期较为常见的方法是参考潜艇的取值范围[2]。文中取=0.1,=0.2。

根据推进系统架构和匹配原理, 参照式(8)和式(9)确定的模型耦合关系, 最终建立AUV推进系统的虚拟集成模型如图7所示, 系统仿真模型拓扑结构与推进系统实际物理架构相似, 结构简洁、可读性好。图7使用AMESim的超级元件功能, 将图4中的螺旋桨数表框图封装为一个超级元件PROPELLER, 以使得系统整体仿真模型更加简洁紧凑。

图7 AUV推进系统虚拟集成模型

3 仿真验证与分析

针对AUV推进系统的虚拟集成模型开展虚拟航行试验, 对推进系统设计匹配情况进行全面的仿真、分析和验证。模型如图7所示, 其中AUV航速控制器基于比例积分(proportion-integration, PI)控制方法设计, 利用试凑法取=3.0,=0.3;V为AUV设定航速。

3.1 AUV快速性仿真验证

AUV推进系统首先应满足AUV快速性的要求。设定AUV航速V分别为2.0 kn、3.0 kn和4.0 kn, 仿真得到AUV运动速度响应曲线如图8所示。从仿真结果曲线可知, AUV实际航速分别能够达到2.0 kn和3.0 kn的设定值, 但受到推进电机功率限制, AUV实际能达到的最大航速为3.25 kn。快速性仿真验证了AUV推进系统设计结果满足最大航速3 kn的总体要求。

图8 AUV运动速度曲线

3.2 AUV机桨匹配特性仿真验证

设计工况下AUV机桨匹配特性是指其在设计阻力特性下航行的推进系统稳态性能。供电电压48 V, 改变AUV的设定航速值V, 仿真得到其推进系统参数变化规律如表1所示。由表1可知, AUV在最大航速下推进电机轴功率为174.0 W, 主机功率利用率较好; 当AUV在设计工况下稳定航行时, 螺旋桨进速系数为定值0.64, 螺旋桨效率为0.67, 螺旋桨工作状态良好。表1的仿真数据验证了AUV机桨匹配情况较好。

表1 AUV机桨匹配特性仿真结果

非设计工况下AUV机桨匹配特性是指分析其阻力特性发生变化时推进系统的稳态性能。实际工程中, AUV动力推进舱段一般不做改动, 但会根据作业任务需要调整有效载荷舱段长度, 或者外挂仪器甚至拖曳设备, 这都会导致阻力的增加, 从而打破系统原来的静态匹配状态。将AUV总阻力系数C分别增加10%、30%和50%, 先设定航速V为2.0 kn, 记录仿真结果如表2所示, 可见随着阻力的增加, 螺旋桨转速增高、进速系数减小, 螺旋桨效率降低。然后再设定航速V为3.25 kn, 记录最大航速变化如表2所示, 可见AUV的最大航速随阻力的增加而显著减小。

表2 不同AUV阻力系数对推进性能的影响

3.3 电气特性对推进系统性能的影响分析

将推进电机与动力电池的耦合作用影响称为AUV推进系统的电气特性。通常AUV供配电系统不配置变电或稳压模块, 以提高电气系统效率, 减小AUV的质量。暂选动力电池为型号A, 设定AUV航速V分别为2.0 kn和3.25 kn, 剩余电量低于15%时停止仿真, 仿真结果如图9所示。AUV在整个续航周期内航速均可达到2.0 kn, 而当电量剩余66%时, 最大航速从3.25 kn开始逐渐下降, 电量剩余31%时最大航速减小至3.0 kn, 电量剩余15%时最大航速只有2.8 kn。

图9 剩余电量对AUV快速性的影响

图10为最大航速工况下剩余电量对电机性能影响的仿真结果, 可解释图9中最大航速降低的原因。随着剩余电量减小, 电机能提供的最大转矩也会随着供电电压的降低而减小。AUV以3.25 kn航行时螺旋桨转矩需求为4.8 Nm, 而当剩余电量低于66%时, 电机最大转矩开始低于4.8 Nm, 无法满足螺旋桨的能量需求, 螺旋桨转速降低, 推力减小, 最终导致AUV航速降低。仿真结果可指导推进电机选型, 提高低供电电压下的电机最大转矩, 可减小剩余电量变化对AUV最大航速的影响程度。

图10 剩余电量对电机性能的影响

3.4 动力电池选型方案仿真评估

文中以AUV推进系统虚拟集成模型为动力电池闭环测试环境, 评价备选电池型号的性能, 验证推进能源分配大小是否充足。考虑动力电池使用的安全性, 设初始剩余电量=90%, 当SOC低于15%时停止仿真。首先, 选择型号A为动力电池模型, 分别设置AUV航速V为2.0 kn和3.0 kn, 记录AUV续航时间、电池放电截止电压。然后以同样的方法完成对型号B的测试, 仿真结果如图11所示。在2 kn航速下, 型号A续航时间26.5 h, 比型号B续航时间多0.5 h, 但均能满足24 h@2 kn的总体设计指标。3 kn航速下, 型号A、B的续航时间分别为8 h和7.9 h。电池包放电截止电压分别为43 V和45 V, 满足推进电机供电电压48 V±15%的要求。仿真结果表明, 2型动力电池均能满足实际使用需求, 整体性能差别不大。

图11 不同型号动力电池性能分析

4 结束语

文中基于AMESim仿真平台建立了AUV推进系统的虚拟集成仿真模型, 仿真结果验证了系统设计的匹配性。该方法简单有效, 将系统级集成试验提前至早期设计阶段, 有利于减少系统的重复设计。但是由于仿真模型的局限性和实际使用工况的复杂性, 物理试验仍是进行AUV推进系统方案设计验证最精确和最终的手段。随着AUV研制过程设计和试验数据的增多, 可以利用物理试验结果对仿真模型进行标定与完善。

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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

赵春城, 郭佳, 徐渴望, 等. 基于AMESim的AUV推进系统建模及仿真验证[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(1): 97-103.

2019-12-25;

2020-03-08.

海南省重大科技计划项目资助(ZDKJ2019002).

赵春城(1989-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为水下无人航行器总体技术.

(责任编辑: 陈 曦)