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。

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]。

圖1  AUV推進系統匹配原理

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。

AMESim軟件是一個多領域復雜機電系統圖形化建模仿真平臺。基于經過驗證的專業庫元件, 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。

2.2  螺旋槳特性模型

2.3  推進電機模型

2.4  動力電池模型

2.5  AUV推進系統綜合虛擬集成

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P=3.0, I=0.3; V_s為AUV設定航速。

圖7  AUV推進系統虛擬集成模型

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_s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。快速性仿真驗證了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_s, 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_T分別增加10%、30%和50%, 先設定航速V_s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_s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_s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。考慮動力電池使用的安全性, 設初始剩余電量SOC=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_s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

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。