自由活塞直线发电机运动控制策略与稳定性研究

摘要

直线式自由活塞内燃发电机(Linear Free-piston Generator，LFPG)是一种新型动力装置，其特有的结构和运动特征使其具有燃料适应性强、压缩比可变、结构简单、能量转化效率高等优点，并使之成为了一种极具潜力的发电装置，可用于电动汽车和其他用电设备上。但在目前研究阶段，LFPG还存在难以进行活塞运动控制、易撞缸和失火等问题。因此进行LFPG稳定运行控制策略研究对其进一步发展和应有具有重要意义。
　　本文提出一种基于LFPG载荷变化的稳定运行控制策略，并通过理论分析和仿真计算验证了该种方案的可行性。本文从LFPG的动力学方程入手，搭建了LFPG全周期SIMULINK仿真模型，利用该模型分析了LFPG系统在标准稳定运行状态下的基本运行性能，以及喷油量、载荷系数两个重要参数对其性能的影响。随后，从能量平衡的角度得出系统稳定运行的条件，以喷油量变化（表现为Qin的变化）作为LFPG系统失稳的干扰因素，以稳定压缩比为控制目标，提出通过改变载荷系数（改变回路总阻值）的方式对LFPG系统的受力和能量分配进行调控，从而达到标准稳定运行状态。在非停机失稳和停机失稳工况下，本文研究了载荷跟随控制策略作用下的LFPG系统运行性能，验证了上述控制策略的可行性，并进一步对控制器进行了参数优化研究。
　　研究发现，当LFPG系统处于标准稳定运行工况时，单个循环输入系统的能量Qin为271J左右，而载荷系数Ce为260左右。当LFPG系统处于非停机失稳(Qin不小于253J且不等于271J时)和停机失稳(Qin小于253J)时，应用载荷跟随控制策略均能使LFPG系统达到标准稳定运行状态。非停机失稳下，干扰量越大，LFPG系统达到标准稳定运行状态需要的时间越长，并且需要越大的载荷阻力。在停机失稳时，LFPG受到的干扰量越大系统越快停机，而在加入控制模块的情况下，系统达到标准稳定运行状态需要的时间越长。总的来说，LFPG中燃料燃烧过程中爆发的能量越少，缸内气体压力越不足以推动活塞的运动，因此需要更大程度地减小载荷回路的总阻值;而当Qin的值越大时，LFPG系统回复到标准稳定运行状态时，系统运行周期越短，能量输出频率越高，活塞组件速度峰值越大。
　　此外，控制器系数（kP、KI）的选择对LFPG运行性能有明显影响。随着控制器比例系数KP逐渐增大，实测循环压缩比振荡幅度越小，振荡次数越多;但磁电载荷阻力的振荡越剧烈，振荡初期幅值增大，到达峰值的时间也缩短;活塞在调整期内拥有更快的平均速度，使得组件运动相同的距离所消耗的时间更少，位移曲线的振荡频率越高。LFPG的压缩比曲线振荡次数随积分系数值的变化呈现出一定的极值特性，但曲线振荡幅度随KI增大而增大。积分系数的减小令载荷阻力、运动速度的振荡幅值变化量更大，并且增长了活塞组件运动周期，在LFPG系统达到稳定运行状态后，运动曲线的滞后现象也一直存在。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 自由活塞直线发电机概述

1．3 自由活塞直线发电机研究现状及发展状态

1．4 自由活塞直线发电机运动特点和稳定性研究现状

1．5 本文主要研究内容

第2章 LFPG动力学模型和运动特性研究

2．1 LFPG工作原理

2．2 LFPG非线性数学建模

2．2．1 动力学模型

2．2．2 电机子系统模型

2．2．3 发动机子系统模型

2．2．4 摩擦子系统模型

2．3 MATLAB／SIMULINK建模及运动特性研究

2．3．1 基于MATLAB／SIMULINK建模及参数设置

2．3．2 稳定运行基本性能研究

2．4 LFPG模型验证

2．5 LFPG运行性能影响因素研究

2．5．1 载荷系数对LFPG运行性能的影响

2．5．2 喷油量对LFPG运行性能的影响

2．6 本章小结

第3章 LFPG载荷跟随控制研究

3．1 载荷跟随控制原理和方法分析

3．1．1 载荷跟随控制原理

3．1．2 载荷跟随控制方法

3．2 LFPG载荷跟随压缩比控制原理

3．3 LFPG载荷跟随压缩比控制模型

3．4 非停机失稳LFPG压缩比控制

3．5 停机失稳LFPG压缩比控制

3．6 本章小结

第4章 载荷跟随控制器参数优化研究

4．1 载荷跟随控制器参数整定分析

4．2 控制器比例环节优化研究

4．2．1 压缩比相响应

4．2．2 电磁力响应

4．2．3 运动位移晌应

4．3 控制器积分环节优化研究

4．3．1 压缩比相响应

4．3．2 电磁力响应

4．3．3 运动位移和速度响应

4．4 本章小结

5．1 全文总结

5．2 工作展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果