自由活塞内燃发电机的建模与控制

发布时间：2017-06-15 22:04

  本文关键词：自由活塞内燃发电机的建模与控制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：汽车工业的发展和汽车保有量的增加以及石油资源的枯竭和环境的污染对传统汽车工业提出了严峻的挑战,遵循能源发展形势及能源发展战略,研发和使用节能减排的新能源汽车已经成为解决能源和环境问题的必由之路。混合动力汽车作为纯电动汽车研发过程中的一种面向市场的车型,成为当代汽车发展的热点。自由活塞内燃发电机(Free Piston Engine Generator,FPEG)作为混合动力汽车新型辅助动力源,具有体积小、重量轻、结构简单、容易维修等优点。由于FPEG取消传统发动机曲轴机构,活塞的运动不受曲轴机构约束,系统能够实现可变压缩比功能,提高了燃油经济性和对适用燃料的范围。然而FPEG并没有广泛的应用于实车,其中关键问题之一是缺乏可靠的活塞运动控制系统,本文针对自由活塞内燃发电机活塞运动控制问题进行研究。为此,本文首先对自由活塞内燃发电机的工作机理进行分析,根据其工作机理,在高级工程建模仿真平台AMESim环境下搭建自由活塞内燃发电机仿真模型,通过对FPEG仿真模型基本运动规律分析,从功能上验证了模型的合理性,并基于此模型,对FPEG的动力学特性进行分析,确定了能够影响FPEG活塞运动的控制量,为活塞运动控制器的设计奠定了基础。然后,将FPEG的活塞运动控制问题描述为压缩间隙的跟踪控制。基于能量守恒,建立了系统面向控制的简化模型,提出了基于LQR的活塞运动控制方法,通过调节循环喷油量来控制FPEG活塞压缩间隙位置。通过AMESim与Matlab联合仿真,对控制方案进行了仿真验证,验证了所提出的控制系统能够获得很好的活塞位置跟踪性能。但是在负载变化时,该控制系统不能保证活塞运动瞬态波动满足安全约束。最后,针对活塞运动瞬态波动超出安全约束的问题,在不改变LQR活塞运动控制框架的情况,提出了基于Reference Governor方法的活塞运动控制方案来处理约束。考虑到系统未来状态无法显式表达,利用牛顿迭代法预测系统输出序列。通过AMESim与Matlab联合仿真对Reference Governor控制系统的控制效果进行仿真验证,验证了Reference Governor和LQR可以协调工作,在保证活塞运动波动满足安全约束的基础上,系统具有较好的活塞位置跟踪性能。本文为自由活塞运动控制系统的设计提供一些思路,但是还有一些工作需要进一步进行。在实际系统中,活塞当前的运动位置不容易获取,需要对活塞的运动位置进行估计,此外,本文并未对自由活塞内燃发电机的启动过程进行分析,未来需要对FPEG的启动控制进行研究。
【关键词】：自由活塞内燃发电机 活塞运动控制系统 线性二次型最优控制 约束 Reference Governor
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM31
【目录】：

• 前言4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 绪论14-23
• 1.1 课题背景及研究意义14
• 1.2 自由活塞发动机结构及特点14-16
• 1.3 自由活塞发动机发展历史及研究现状16-20
• 1.3.1 自由活塞发动机的发展历史16-17
• 1.3.2 自由活塞发动机研究现状17-20
• 1.4 目前存在的问题20-21
• 1.5 本文的主要研究内容21-23
• 第2章 自由活塞内燃发电机机理研究及建模23-41
• 2.1 FPEG工作原理23-24
• 2.2 FPEG机理研究24-28
• 2.2.1 气缸热力学24-27
• 2.2.2 活塞运动动力学27
• 2.2.3 电磁负载动力学27-28
• 2.3 基于AMESim环境FPEG仿真模型的搭建28-32
• 2.3.1 AMESim仿真环境简介29-30
• 2.3.2 FPEG仿真模型的搭建30-32
• 2.4 FPEG仿真模型合理性及动力学特性分析32-40
• 2.4.1 基本运动规律及合理性分析32-33
• 2.4.2 动力学特性分析33-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第3章 基于LQR的自由活塞内燃发电机活塞运动控制41-59
• 3.1 控制问题的提出41-42
• 3.2 FPEG面向控制模型42-46
• 3.2.1 FPEG压缩冲程做功43-45
• 3.2.2 FPEG膨胀冲程做功45
• 3.2.3 FPEG进排气冲程做功及电磁功45-46
• 3.3 基于LQR的活塞运动控制46-53
• 3.3.1 控制方案的提出46-47
• 3.3.2 线性二次型(LQR)最优控制原理47-49
• 3.3.3 未引入积分环节LQR控制器设计49-51
• 3.3.4 引入积分环节LQR控制器设计51-53
• 3.4 仿真验证53-57
• 3.4.1 未引入积分环节LQR控制系统仿真结果分析53-55
• 3.4.2 引入积分环节LQR控制系统仿真结果分析55-57
• 3.5 本章小结57-59
• 第4章 基于Reference Governor的活塞运动控制59-71
• 4.1 Reference Governor方法简介59-62
• 4.1.1 理论基础59-61
• 4.1.2 算例研究61-62
• 4.2 基于Reference Governor的FPEG控制方案的提出62-64
• 4.3 基于Reference Governor活塞运动控制系统设计64-67
• 4.4 仿真验证67-70
• 4.5 本章小结70-71
• 第5章 全文总结71-73
• 5.1 全文工作总结71-72
• 5.2 未来工作展望72-73
• 参考文献73-79
• 作者简介及研究成果79-80
• 致谢80

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本文编号：453587