本文關(guān)鍵詞：自由活塞發(fā)動機建模與優(yōu)化控制

  更多相關(guān)文章： 自由活塞發(fā)動機 混合動力汽車 模型預(yù)測控制 活塞運動控制 約束 雙閉環(huán)控制 三步法 極值搜索 Reference Governor

【摘要】：近年來,伴隨著節(jié)能環(huán)保法規(guī)的不斷嚴格,整個社會對節(jié)能與新能源汽車的發(fā)展提出強烈需求。在純電動車動力電池技術(shù)突破瓶頸之前,混合動力汽車依然是新能源汽車中的主力軍。自由活塞發(fā)動機(Free Piston Engine,FPE)做為一種新型發(fā)動機,有著諸多優(yōu)點,有望成為下一代混合動力汽車的動力裝置。FPE與常規(guī)內(nèi)燃機有著相似的熱力學(xué)原理,但是機械結(jié)構(gòu)上省略了曲柄連桿機構(gòu)和機械飛輪,直接利用燃燒室活塞的往復(fù)運動驅(qū)動直線電機或液壓泵,將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)化為電力或液力輸出。由于活塞可以自由運動,壓縮比可變,具有燃料適應(yīng)范圍廣、熱效率高的特點,加之本身機械結(jié)構(gòu)簡單,摩擦損耗小,使其相比于常規(guī)混合動力汽車中的動力裝置,可以大幅提高能源最終利用率。然而,系統(tǒng)中增加的自由度卻降低了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性:由于取消了曲軸機構(gòu),能夠保證活塞穩(wěn)定運行的機械約束機制也隨之消失。目前,自由活塞發(fā)動機還停留在概念研究階段,缺乏可靠的控制導(dǎo)致自由活塞發(fā)動機無法持續(xù)穩(wěn)定運行是制約其工程應(yīng)用的主要因素。因此,活塞運動控制是保證自由活塞發(fā)動機穩(wěn)定運行的使能技術(shù),是決定自由活塞發(fā)動機概念能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。本文的主要內(nèi)容是自由活塞發(fā)動機的建模與優(yōu)化控制方法研究。首先結(jié)合國內(nèi)外對于FPE結(jié)構(gòu)的研究成果,提出了一種可用于發(fā)電的雙活塞式FPE結(jié)構(gòu)并介紹其工作原理。對雙活塞式FPE的動力學(xué)機理展開研究,建立了連續(xù)時間域下的FPE機理模型,(包括相互耦合的熱力學(xué)模型、電力學(xué)模型以及運動動力學(xué)模型);分析了FPE的基本運動規(guī)律和動力學(xué)特性;面向控制算法的驗證需求,在AMESim仿真平臺下建立了用于控制器驗證的仿真模型,驗證了模型功能上的合理性和有效性,確定了能夠影響FPE活塞運動的關(guān)鍵控制變量。然后,將FPE活塞運動控制描述為上、下止點的活塞位置間隙值控制并滿足負載瞬態(tài)變化時的安全約束問題,基于能量守恒建立了簡化的的面向控制器設(shè)計的活塞運動非線性隱式離散模型。針對FPE活塞運動控制中多控制變量且存在約束的特點,提出了基于模型預(yù)測控制的活塞運動控制方案,考慮FPE應(yīng)用于不同的背景,對優(yōu)化問題進行了不同的描述,得到了不同的優(yōu)化控制結(jié)果。針對當前時刻活塞上、下止點位置不可測的問題,采用牛頓迭代法對狀態(tài)進行一步預(yù)估,并聯(lián)合擴張狀態(tài)觀測器對預(yù)估誤差進行了校正。利用二缸二沖程FPE對所設(shè)計控制系統(tǒng)進行仿真驗證,結(jié)果表明所提出的控制系統(tǒng)能夠獲得良好的活塞位置跟蹤性能,滿足外界能量需求,并保證活塞運動瞬態(tài)波動滿足安全約束。進一步,面向四沖程FPE氣路控制的需求,對控制系統(tǒng)進行了擴展,提出了基于雙閉環(huán)的四缸四沖程FPE控制策略,增加對氣路的控制,使活塞不僅能夠穩(wěn)定運動在期望的位置、滿足瞬態(tài)負載變化時活塞位置波動約束,而且使FPE獲得期望的空燃比。模型預(yù)測控制器作為外環(huán)控制,計算期望的進入氣缸空氣量和電磁負載變化;針對氣路的非線性特性,基于三步法設(shè)計的非線性氣路控制器作為內(nèi)環(huán)控制,通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門,使實際氣缸空氣量跟蹤期望值。考慮進入氣缸空氣量不可測的問題,設(shè)計了輸入觀測器并討論了觀測誤差界和參數(shù)選取原則。考慮到FPE變化的壓縮比使氣缸容積效率發(fā)生漂移,改進了傳統(tǒng)發(fā)動機的氣路控制方案,提出了直接以氣缸空氣量為被控量的控制方案,提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。借助雙閉環(huán)控制系統(tǒng),以循環(huán)燃油消耗最小為優(yōu)化目標,應(yīng)用極值搜索策略對點火位置進行優(yōu)化并標定了點火位置map,提高了控制系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性。最后,考慮節(jié)約控制系統(tǒng)計算成本,提出了基于迭代Reference Governor算法的FPE活塞運動控制策略,拓展了Reference Governor算法在隱式系統(tǒng)中的應(yīng)用。為了進一步降低算法的在線迭代次數(shù),提出了基于一次牛頓迭代的Reference Governor算法:只利用一次牛頓迭代預(yù)測系統(tǒng)狀態(tài)序列,分析了迭代誤差界,并通過估計一次迭代誤差界的范圍對實際狀態(tài)約束條件進行收縮,不僅滿足了系統(tǒng)狀態(tài)約束而且提高了控制系統(tǒng)在線運算速度;通過仿真綜合評價了模型預(yù)測控制、迭代Reference Governor在活塞運動控制中的表現(xiàn),為未來FPE控制策略的工程應(yīng)用提供了選擇性參考。論文對所提出的FPE控制方案都進行了明確的論證,并對具體控制器的設(shè)計進行了詳盡的推導(dǎo)。為了驗證其有效性,根據(jù)所搭建的FPE模型,利用AMESim與Matlab聯(lián)合仿真對控制算法進行了仿真驗證,并通過仿真結(jié)果給出了相關(guān)分析。結(jié)果表明,文中所提出的FPE活塞運動控制方法整體效果是令人滿意的。本文的研究工作也存在一些遺憾,由于FPE正處在概念研究階段,世界范圍內(nèi)FPE的實驗樣機屈指可數(shù),目前本文所提出的方法暫時停留在計算機仿真階段,尚不能進行實物實驗。未來將圍繞半實物實驗和實驗臺架的研發(fā)展開進一步的研究。
【關(guān)鍵詞】：自由活塞發(fā)動機 混合動力汽車 模型預(yù)測控制 活塞運動控制 約束 雙閉環(huán)控制 三步法 極值搜索 Reference Governor
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U464
【目錄】：

• 前言4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 第1章 緒論19-37
• 1.1 研究背景19-20
• 1.2 自由活塞發(fā)動機的特點及結(jié)構(gòu)20-24
• 1.3 自由活塞發(fā)動機的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀24-33
• 1.3.1 自由活塞發(fā)動機的歷史24
• 1.3.2 自由活塞發(fā)動機設(shè)計與控制研究進展24-33
• 1.4 目前存在的問題33-34
• 1.5 本文研究內(nèi)容34-37
• 第2章 自由活塞發(fā)動機建模37-59
• 2.1 引言37
• 2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理37-39
• 2.3 自由活塞發(fā)動機機理模型39-49
• 2.3.1 活塞運動動力學(xué)模型39-41
• 2.3.2 熱力學(xué)模型41-45
• 2.3.3 電力負載模型45-47
• 2.3.4 模型動力學(xué)特性分析47-49
• 2.4 基于AMESim的自由活塞發(fā)動機模型49-57
• 2.4.1 自由活塞發(fā)動機AMESim模型建立50-52
• 2.4.2 模型合理性驗證52-53
• 2.4.3 控制變量選取研究53-57
• 2.5 本章小結(jié)57-59
• 第3章 基于模型預(yù)測控制的自由活塞發(fā)動機控制59-83
• 3.1 引言59-60
• 3.2 控制問題描述及面向控制器設(shè)計的模型60-63
• 3.2.1 控制問題描述60-62
• 3.2.2 面向控制的離散模型62-63
• 3.3 模型預(yù)測控制的基本原理63-64
• 3.4 基于模型預(yù)測控制的自由活塞發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計64-76
• 3.4.1 開環(huán)系統(tǒng)特性分析64-68
• 3.4.2 帶有約束的模型預(yù)測控制器設(shè)計68-75
• 3.4.3 狀態(tài)估計方法設(shè)計75-76
• 3.5 仿真結(jié)果及分析76-81
• 3.5.1 基于Matlab/Simulink機理模型的仿真驗證77-79
• 3.5.2 基于AMESim高精度仿真模型的聯(lián)合仿真驗證79-81
• 3.6 本章小結(jié)81-83
• 第4章 基于雙閉環(huán)的自由活塞發(fā)動機控制83-113
• 4.1 引言83-84
• 4.2 自由活塞發(fā)動機的氣路模型84-85
• 4.3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計85-106
• 4.3.1 FPE活塞運動外環(huán)控制器設(shè)計86-88
• 4.3.2 非線性三步控制器設(shè)計方法88-89
• 4.3.3 基于三步法的內(nèi)環(huán)氣路控制器設(shè)計89-97
• 4.3.4 氣缸進氣量觀測器設(shè)計97-100
• 4.3.5 雙閉環(huán)控制結(jié)果驗證100-106
• 4.4 基于極值搜索的自由活塞發(fā)動機點火位置優(yōu)化106-111
• 4.4.1 Nelder-Mead單純形法與遺傳算法107-108
• 4.4.2 優(yōu)化實驗設(shè)計與性能評價108-111
• 4.5 本章小結(jié)111-113
• 第5章 基于迭代Reference Governor的自由活塞發(fā)動機控制113-135
• 5.1 引言113
• 5.2 Reference Governor基本簡介113-116
• 5.2.1 基本原理114-116
• 5.2.2 研究現(xiàn)狀與問題提出116
• 5.3 非線性離散隱式約束系統(tǒng)Reference Governor算法研究116-127
• 5.3.1 問題描述116-118
• 5.3.2 基于牛頓迭代的RG118-121
• 5.3.3 迭代誤差界估計及基于一次牛頓迭代的RG121-127
• 5.4 基于迭代Reference Governor的FPE控制系統(tǒng)設(shè)計127-129
• 5.5 仿真結(jié)果及分析129-134
• 5.5.1 基于非線性數(shù)值模型的仿真分析129-132
• 5.5.2 基于AMESim模型的仿真分析132-134
• 5.6 本章小結(jié)134-135
• 第6章 全文總結(jié)135-139
• 附錄A FPE面向控制的非線性離散模型139-143
• A.1 二沖程FPE模型139-141
• A.2 四沖程FPE模型141-143
• 附錄B FPE模型參數(shù)143-145
• 附錄C Nelder-Mead(NM)單純形優(yōu)化算法145-147
• 參考文獻147-159
• 作者簡介及在學(xué)期間取得的科研成果159-163
• 致謝163-164

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 楊華勇,夏必忠,傅新;液壓自由活塞發(fā)動機——未來的動力之星[J];中國機械工程;2001年03期

2 夏必忠;張輝;段廣洪;傅新;楊華勇;;液壓自由活塞發(fā)動機動態(tài)特性的仿真研究[J];機械科學(xué)與技術(shù);2005年11期

3 夏必忠;汪勁松;傅新;楊華勇;;雙活塞液壓自由活塞發(fā)動機原理樣機的研制及其壓縮比[J];機械工程學(xué)報;2006年03期

4 夏必忠;王學(xué)靈;汪勁松;謝海波;楊華勇;;雙組元液壓自由活塞發(fā)動機的研究背景與可行性分析[J];中國機械工程;2008年20期

5 任好玲;謝海波;楊華勇;夏必忠;;單組元液壓自由活塞發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)[J];浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版);2009年05期

6 趙振峰;趙長祿;張付軍;;一種新型混合動力系統(tǒng):液壓自由活塞發(fā)動機整體推進系統(tǒng)[J];兵工學(xué)報;2009年06期

7 荊崇波;吳維;郭凱;苑士華;;液壓自由活塞發(fā)動機循環(huán)振動特性[J];內(nèi)燃機學(xué)報;2010年06期

8 吳維;苑士華;胡紀濱;荊崇波;;液壓自由活塞發(fā)動機的活塞運動不對稱特征研究[J];兵工學(xué)報;2012年07期

9 吳維;劉嘉;胡紀濱;苑士華;;液壓自由活塞發(fā)動機自激振動的控制[J];機械工程學(xué)報;2012年22期

10 戴筱妍;趙長祿;劉嘉;郭鋒;;單活塞式液壓自由活塞發(fā)動機控制系統(tǒng)的開發(fā)[J];北京理工大學(xué)學(xué)報;2012年12期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 任好玲;楊華勇;謝海波;;新型液壓自由活塞發(fā)動機動特性和參數(shù)耦合研究[A];第五屆全國流體傳動與控制學(xué)術(shù)會議暨2008年中國航空學(xué)會液壓與氣動學(xué)術(shù)會議論文集[C];2008年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 尹凝霞;四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機的研究[D];南京理工大學(xué);2014年

2 林繼銘;內(nèi)燃—直線發(fā)電集成動力系統(tǒng)的性能分析與優(yōu)化[D];南京理工大學(xué);2014年

3 宮洵;自由活塞發(fā)動機建模與優(yōu)化控制[D];吉林大學(xué);2016年

4 任好玲;四沖程單活塞式液壓自由活塞發(fā)動機運動機理與特性研究[D];浙江大學(xué);2013年

5 李世玉;單缸液壓自由活塞發(fā)動機控制策略及工作穩(wěn)定性研究[D];吉林大學(xué);2015年

6 陳俊杰;微型HCCI自由活塞發(fā)動機著火燃燒過程數(shù)值模擬[D];江蘇大學(xué);2009年

7 徐帥卿;高性能ECU平臺的開發(fā)及其應(yīng)用研究[D];天津大學(xué);2012年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 郭劍飛;四沖程單活塞式液壓自由活塞發(fā)動機運動特性優(yōu)化研究[D];浙江大學(xué);2015年

2 許洪瑜;壓燃式FPELG缸內(nèi)燃燒過程仿真與實驗研究[D];北京理工大學(xué);2015年

3 侯偉娟;自由活塞發(fā)動機工作過程仿真模擬[D];河北工業(yè)大學(xué);2015年

4 吳亦寧;對置式液壓自由活塞發(fā)動機工作過程的仿真研究[D];天津大學(xué);2013年

5 陶成軍;液壓自由活塞發(fā)動機的系統(tǒng)仿真研究[D];天津大學(xué);2012年

6 郭超;自由活塞發(fā)動機液壓系統(tǒng)控制設(shè)計[D];吉林大學(xué);2014年

7 唐玉梅;內(nèi)燃—直線發(fā)電集成動力系統(tǒng)中自由活塞發(fā)動機空燃比與點火時刻的控制[D];南京理工大學(xué);2008年

8 張亞強;液壓雙自由活塞發(fā)動機實驗樣機控制系統(tǒng)的研究[D];浙江大學(xué);2003年

9 李振信;單活塞式液壓自由活塞發(fā)動機的振動研究[D];吉林大學(xué);2014年

10 李儉康;液壓自由活塞發(fā)動機噴油系統(tǒng)的設(shè)計研究[D];吉林大學(xué);2014年

，

本文編號：843228