基于AMESim的AUV推进系统建模和仿真验证

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。

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]。

图1  AUV推进系统匹配原理

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。

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。

2.2  螺旋桨特性模型

2.3  推进电机模型

2.4  动力电池模型

2.5  AUV推进系统综合虚拟集成

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P=3.0, I=0.3; V_s为AUV设定航速。

图7  AUV推进系统虚拟集成模型

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_s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_s, 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_T分别增加10%、30%和50%, 先设定航速V_s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_s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_s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SOC=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_s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

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。