一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统及其优化方法

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术1.本发明属于水力机械领域和水下驱动领域，特别涉及一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统及其优化方法。背景技术：2.受水下驱动作用而运动的对象，在沿岸发射过程中，受射程的影响无法打击距离较远的目标，即使射程较长也会给目标留下较多的反应时间。对象在载具上受驱动作用而运动时，会受到雷达的探测，且载具本身还有受到打击的风险。水下驱动技术，兼具隐蔽性和安全性的特点，在现代海洋技术中十分重要。3.水下驱动系统的目的是为对象提供初始动能。传统的水下驱动系统多用固体燃料、燃气、高压气体等作为动力源，发射速度慢。在制造、运输、存储的过程中也存在一定的危险，且一旦制造出来性能难以再改变，不适合变工况驱动的情况，例如不同的初始驱动深度。此外，由于驱动装备所处工作介质性能的不确定性，待驱动装备难以与整个驱动系统的性能耦合，性能也难以预测。因此，对速度快、稳定性好、可变工况、协联性好的水下驱动系统，总结一套完备的设计方法，并实现对驱动系统性能的快速预测是十分重要的。技术实现要素：4.针对传统水下驱动过程中耗时长、稳定性差、变工况难、协联性差的问题，本发明公开的一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统及其优化方法，要解决的技术问题是：该驱动系统仅涉及单一流体介质，实现驱动过程中，作为动力源的轴流泵与整个驱动系统的协联运行与针对该驱动系统的性能预测。同时，该驱动系统能够满足不同的驱动初始条件。针对驱动时间很短的强瞬态过程，通过建立轴流泵稳态特性与瞬态特性的联系，使得在瞬态过程中仍能准确预测轴流泵的性能。通过建立驱动过程的动力学模型，使得整个驱动系统耦联起来实现一体式设计和性能快速预测。本发明能够应用于船舶、水下探测器等涉及水下驱动技术领域。5.所述驱动初始条件包括驱动深度。6.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。7.本发明公开的一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统，包括入流管、轴流泵、高压流管、驱动管、驱动对象和出流管。8.所述入流管是流体介质的入口，从环境中吸收流体介质引至轴流泵入口。9.所述轴流泵是驱动系统的动力源，置于入流管与高压流管之间。轴流泵由电机驱动以实现旋转，叶轮转动对流体介质做功，提高流体介质的能量，并为驱动对象提供动力。10.所述高压流管位于轴流泵出口之后，用于输送由轴流泵输出的高压流体介质，并将高压流体介质输送入驱动管。11.所述驱动管位于高压流管出口之后，用于容纳驱动对象，提供高压流体介质作用于驱动对象的工作环境。12.所述驱动对象是要驱动的目标，通常为圆柱体或以圆柱体为底座。驱动对象直径比驱动管略小，流体介质经过驱动对象与驱动管之间的缝隙时，由于流体介质速度增加，进而导致压力减少，在驱动对象前后形成压力差从而使驱动对象运动。13.所述出流管与环境流体域相连，当驱动对象脱离出流管时，系统压力降低，判定驱动过程结束。14.上述入流管、高压流管、驱动管和出流管均采用低阻尼的材料制造，能够降低流体介质的流动阻力，从而减少驱动过程的能量损耗。15.本发明公开的一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统的工作方法为：16.打开电机开关，所述轴流泵在电机驱动下以极快的速度启动，入流管吸入流体介质至轴流泵入口，轴流泵对流体介质做功提高流体介质的压力并产生高压流体，高压流体介质经过高压流管进入驱动管，驱动管内的驱动对象在高压流体介质所产生的压力差作用下，在驱动管内运动，直至脱离出流管，驱动过程结束。17.本发明公开的一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统的优化方法，包括以下步骤：18.步骤一、明确被驱动对象的驱动目标及参数。19.根据目标的驱动需求，给出驱动对象的水下初始驱动深度h、目标驱动时间tt、驱动完毕后驱动对象的目标速度vt和电机启动时的转速变化规律n(t)。驱动对象的目标速度vt根据水下初始驱动深度h、驱动对象被驱动出筒后的水下运动阻力fs和驱动对象的质量m确定，即[0020][0021]步骤二、根据驱动需求初步选定轴流泵的型号。[0022]查询所选定型号轴流泵的外特性曲线，根据查询到的外特性曲线，确定轴流泵在不同转速下扬程h(n)和流量q(n)。结合第一步中给出的电机启动时轴流泵的转速变化规律n(t)，建立第一个关系式：轴流泵在启动过程中，轴流泵的流量、扬程与时间关系。[0023]f[h(t),q(t)]＝0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(2)[0024]步骤三、建立驱动系统内流量关系。[0025]根据连续性方程，驱动系统内的流量q表示为驱动对象排出的流体介质的流量qf和驱动对象与驱动管间隙处的流量qj之和。[0026]q(t)＝qf+qjꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(3)[0027]qf＝v(t)sꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(4)[0028][0029]其中s是驱动对象的横截面积，p0为出流管处的压强，p1为驱动对象尾部的压强，表示为轴流泵出口的压强，减去流动过程中沿程损失和局部损失共同作用所产生的压力损失。而沿程损失和局部损失共同作用所产生的扬程损失与轴流泵提供的扬程相比，能够忽略不计，因此p1表示为[0030]p1＝ρgh(t)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(6)[0031]联立(3)(4)(5)(6)即得到[0032][0033]联立(3)(7)式得到第二个关系式：h(t)与v(t)的关系[0034]f[h(t),v(t)]＝0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(8)[0035]步骤四、建立驱动系统耦合动力学模型。[0036]不同的驱动系统虽然结构不同，但原理和遵循的物理定律是相同的。因此本发明只针对一般性的情况，挑选驱动系统中重要的参数进行耦合动力学建模，具有普适性。本发明中普适性的参数有时间t、驱动系统流量q(t)、驱动系统扬程h(t)，驱动对象质量m，驱动对象截面积s，驱动对象在驱动过程结束后的运动速度v(t)，驱动对象水下初始驱动深度h，驱动对象的驱动加速位移x(t)和目标驱动时间tt。[0037]为了实现快速驱动，驱动对象通常都做直线运动。根据动量定理：[0038]fδt＝mδvꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(9)[0039]t＝0时刻，驱动对象静止，v＝0，满足ft＝mv。且每一时刻冲量的变化量与动量的变化量都相等，因此每一时刻都满足：[0040]ft＝mvꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(10)[0041]驱动对象受到的驱动合力可以表示为[0042]∑f＝δps-fj＝(p1-p0)s-fj＝[ρgh(t)-p0]s-fjꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(11)[0043]其中fj为驱动对象在驱动管内驱动加速过程中受到的阻力，表示为[0044][0045]其中kl、c均为常系数，ω为驱动对象浸湿的表面积。因此驱动对象受到的合力表示为[0046][0047]联立(10)(13)式可得[0048][0049]联立(8)(14)即得到v(t)的表达式。[0050]根据t＝0，t＝tt时刻边界条件得：[0051][0052]因此问题转变为非线性常微分方程的初值问题。采用欧拉法、龙格－库塔法或线性多步法均能求出驱动对象在驱动过程结束后的运动速度v(t)，成功地预测驱动系统提供给驱动对象的初始运动性能。[0053]步骤五、验证驱动系统工作的有效性，并迭代优化驱动系统，直到满足目标。[0054]判断驱动过程结束时，是否达到驱动对象的目标速度vt。若驱动对象在驱动过程结束后的运动速度v(t)大于驱动对象的目标速度vt，则完成目标；若驱动对象在驱动过程结束后的运动速度v(t)小于驱动对象的目标速度vt，则未完成目标。通过改变发射管长度l、改变电机启动时的转速变化规律n(t)、改变轴流泵的型号，直到满足目标。[0055]有益效果：[0056]1、本发明公开的一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统及其优化方法，能够实现驱动目标水下发射深度的动态调节过程。通过调节电机启动时的转速变化规律n(t)，得到轴流泵在不同转速下扬程h(n)和流量q(n)，通过一系列计算，最终获得不同驱动对象在驱动过程结束后的运动速度v(t)，以实现对驱动目标水下发射深度的动态调节。[0057]2、本发明公开的一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统及其优化方法，能够实现单一介质的驱动发射，驱动过程仅涉及单一流体介质，与周围环境流体介质相同。相较于燃气、高压气体等水下驱动方式，借助与周围环境流体介质相同的单一介质，技术手段简单，安全可控。[0058]3、本发明公开的一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统及其优化方法，将驱动过程中轴流泵的瞬态启动过程考虑在内，能够保证驱动对象动力学建模的准确性和稳定性。[0059]4、本发明公开的一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统及其优化方法，针对驱动对象简化动力学建模，将动力源轴流泵和驱动对象耦合在同一个系统中，实现对驱动系统的一体化建模，从而能够实现多种变工况的驱动性能预测。附图说明[0060]图1为本发明公开的一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统的优化方法流程图；[0061]图2为驱动系统示意图；其中，1—入流管，2—轴流泵，3—高压流管，4—驱动对象，5[0062]—驱动管，6—出流管。[0063]图3为驱动对象动力学建模示意图；[0064]图4为电机转速需求；[0065]图5为驱动对象速度。具体实施方式[0066]下面给出本发明的具体实施例，结合附图对本发明的技术方案作进一步完整且详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。[0067]实施例1：[0068]本实施例公开的一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统，如图1所示。本实施例中，水下发射无人机为被驱动目标，具体实现步骤如下：[0069]步骤一、明确被驱动对象的驱动目标及参数。[0070]水下发射无人机是一种具有立体协同功用的无人化新型装备，装备于无人平台。水下发射无人机具有集群协同能力，并可扩展至无人机群。具有运输物资、侦察信息、执行突击任务等功能。执行无人机水下发射的水下无人平台，具有较高的机动能力和隐身性能，上述性能直接决定其作战生存能力，且强隐身性能可降低其被发现和命中的几率。本实施例选取的驱动目标为中型无人机，进行无人机发射的无人平台工作地点通常为近水面海区(水深10m 以内)，同时，该无人平台可在水面快速航行。[0071]综合上述背景，本实施例的一种基于轴流泵瞬态启动过程的驱动系统将模拟装备于无人平台上，无人机在无人平台上内实现快速驱动过程。无人平台的工作范围为近水面区，水深为5-10m。本发明的系统中入流管与驱动管均在同一水域，水深不会对驱动过程造成影响，因此选取轴流泵空化条件最苛刻的7m水深作初始驱动水深进行设计。本实施例无人机要在短时间迅速驱动出水，并快速打击，因此需要在1s内快速驱动，以足够的运动速度自驱动系统离开，完成出水后立即启动，以实现快速打击与准确侦察。本实施例中水下驱动系统的示意图如图2所示，各项参数如表1所示。[0072][0073]步骤二、根据驱动需求初步选定轴流泵的型号。[0074]根据驱动需求初步选定轴流泵的型号，由如图4所示的电机转速需求，初选叶轮直径为 0.536m，导叶直径为0.4m的轴流泵。基于该轴流泵的稳态外特性曲线数据库，确定启动条件下的瞬态外特性。根据系统设计方法，建立流量关系式和动力学模型。[0075]步骤三、借助matlab编程软件，使用编程语言将设计过程所述的方程编译成程序并求解，得到驱动过程结束后的运动速度v(t)如图5所示。[0076]步骤四、验证驱动系统工作的有效性，并迭代优化驱动系统，直到满足目标。[0077]如图5所示，在0.4s时，预测到发射对象的速度是13m/s，满足驱动过程结束后的运动速度v(t)大于驱动对象的目标速度vt，完成驱动目标。[0078]以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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