自由活塞发动机建模与优化控制

【摘要】：近年来,伴随着节能环保法规的不断严格,整个社会对节能与新能源汽车的发展提出强烈需求。在纯电动车动力电池技术突破瓶颈之前,混合动力汽车依然是新能源汽车中的主力军。自由活塞发动机(Free Piston Engine,FPE)做为一种新型发动机,有着诸多优点,有望成为下一代混合动力汽车的动力装置。FPE与常规内燃机有着相似的热力学原理,但是机械结构上省略了曲柄连杆机构和机械飞轮,直接利用燃烧室活塞的往复运动驱动直线电机或液压泵,将燃料燃烧产生的热能直接转化为电力或液力输出。由于活塞可以自由运动,压缩比可变,具有燃料适应范围广、热效率高的特点,加之本身机械结构简单,摩擦损耗小,使其相比于常规混合动力汽车中的动力装置,可以大幅提高能源最终利用率。然而,系统中增加的自由度却降低了系统运行的稳定性:由于取消了曲轴机构,能够保证活塞稳定运行的机械约束机制也随之消失。目前,自由活塞发动机还停留在概念研究阶段,缺乏可靠的控制导致自由活塞发动机无法持续稳定运行是制约其工程应用的主要因素。因此,活塞运动控制是保证自由活塞发动机稳定运行的使能技术,是决定自由活塞发动机概念能否成功应用的关键。本文的主要内容是自由活塞发动机的建模与优化控制方法研究。首先结合国内外对于FPE结构的研究成果,提出了一种可用于发电的双活塞式FPE结构并介绍其工作原理。对双活塞式FPE的动力学机理展开研究,建立了连续时间域下的FPE机理模型,(包括相互耦合的热力学模型、电力学模型以及运动动力学模型);分析了FPE的基本运动规律和动力学特性;面向控制算法的验证需求,在AMESim仿真平台下建立了用于控制器验证的仿真模型,验证了模型功能上的合理性和有效性,确定了能够影响FPE活塞运动的关键控制变量。然后,将FPE活塞运动控制描述为上、下止点的活塞位置间隙值控制并满足负载瞬态变化时的安全约束问题,基于能量守恒建立了简化的的面向控制器设计的活塞运动非线性隐式离散模型。针对FPE活塞运动控制中多控制变量且存在约束的特点,提出了基于模型预测控制的活塞运动控制方案,考虑FPE应用于不同的背景,对优化问题进行了不同的描述,得到了不同的优化控制结果。针对当前时刻活塞上、下止点位置不可测的问题,采用牛顿迭代法对状态进行一步预估,并联合扩张状态观测器对预估误差进行了校正。利用二缸二冲程FPE对所设计控制系统进行仿真验证,结果表明所提出的控制系统能够获得良好的活塞位置跟踪性能,满足外界能量需求,并保证活塞运动瞬态波动满足安全约束。进一步,面向四冲程FPE气路控制的需求,对控制系统进行了扩展,提出了基于双闭环的四缸四冲程FPE控制策略,增加对气路的控制,使活塞不仅能够稳定运动在期望的位置、满足瞬态负载变化时活塞位置波动约束,而且使FPE获得期望的空燃比。模型预测控制器作为外环控制,计算期望的进入气缸空气量和电磁负载变化;针对气路的非线性特性,基于三步法设计的非线性气路控制器作为内环控制,通过调节节气门,使实际气缸空气量跟踪期望值。考虑进入气缸空气量不可测的问题,设计了输入观测器并讨论了观测误差界和参数选取原则。考虑到FPE变化的压缩比使气缸容积效率发生漂移,改进了传统发动机的气路控制方案,提出了直接以气缸空气量为被控量的控制方案,提高了控制系统的鲁棒性。借助双闭环控制系统,以循环燃油消耗最小为优化目标,应用极值搜索策略对点火位置进行优化并标定了点火位置map,提高了控制系统的燃油经济性。最后,考虑节约控制系统计算成本,提出了基于迭代Reference Governor算法的FPE活塞运动控制策略,拓展了Reference Governor算法在隐式系统中的应用。为了进一步降低算法的在线迭代次数,提出了基于一次牛顿迭代的Reference Governor算法:只利用一次牛顿迭代预测系统状态序列,分析了迭代误差界,并通过估计一次迭代误差界的范围对实际状态约束条件进行收缩,不仅满足了系统状态约束而且提高了控制系统在线运算速度;通过仿真综合评价了模型预测控制、迭代Reference Governor在活塞运动控制中的表现,为未来FPE控制策略的工程应用提供了选择性参考。论文对所提出的FPE控制方案都进行了明确的论证,并对具体控制器的设计进行了详尽的推导。为了验证其有效性,根据所搭建的FPE模型,利用AMESim与Matlab联合仿真对控制算法进行了仿真验证,并通过仿真结果给出了相关分析。结果表明,文中所提出的FPE活塞运动控制方法整体效果是令人满意的。本文的研究工作也存在一些遗憾,由于FPE正处在概念研究阶段,世界范围内FPE的实验样机屈指可数,目前本文所提出的方法暂时停留在计算机仿真阶段,尚不能进行实物实验。未来将围绕半实物实验和实验台架的研发展开进一步的研究。