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作者：

孙鹏

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摘要：

自由活塞内燃直线发电机(Free-Piston Linear Generator,FPLG)是一种新型机电能量转换装置。因其具有高效、高功率密度、低排放、多种燃料适应性好、集成结构紧凑等特点,在混合动力增程应用方面具有诱人的应用前景。针对自由活塞内燃直线发电系统在现阶段难以实现长期稳定运行这一国内外关键共性挑战,作者分别从系统设计及控制方法方面提出了创新性的方法,并开展了一系列理论及实验工作:(1)自由活塞内燃直线发电系统解耦设计。以单缸二冲程气体弹簧回复的自由活塞内燃直线发电机为切入点,创新性提出了基于耦合系统能量转化和效率分布特性的解耦匹配设计理论及方法。确立了用以确定内燃机、直线电机、气体弹簧的结构参数及运行参数匹配选择的理论指导原则。并通过Matlab/Simulink仿真验证了设计方法的有效性和通用性。进行了直线电机结构及电磁设计,以模块化设计思路为指导,确定了15k W功率等级且目标效率94%的直线电机功率模块单元,并提出了具有特色的集成扩展结构。利用Ansoft有限元仿真软件,分析了相同行程不同往复频率下、不同负载情况下的直线电机发电性能。(2)耦合系统热动力学建模及仿真分析。分别建立了内燃机、直线电机、气体弹簧的数学模型,并利用Matlab/Simulink建立了集成系统热动力学仿真模型,分析了自由活塞运动特性、活塞组件受力特性、缸内压强分布特性等系统热动力学特性;同时分析了直线电机电压、电流以及输出电功率等系统输出特性。重点分析了系统等效刚度、循环喷油量、点火位置、气体弹簧初始压强、负载、活塞组件质量等相互耦合的参数对系统有效输出电功率和效率的影响。为后续系统参数优化及稳定运行控制奠定了良好理论基础。(3)系统全周期运行过程及基本控制策略分析。提出了针对系统启动、稳定运行、故障恢复、以及停止过程的全周期运行控制策略。为了验证全周期运行控制策略的有效性,借助于Matlab/Simulink耦合系统仿真,分析了不同工况下活塞运行状态,确定了内燃机基于活塞运行状态判断的喷油、点火、进排气控制策略及时序。进行了有无全周期运行控制策略下的对比仿真分析,从而验证了所提出的全周期运行控制策略的有效性。(4)自由活塞运动非线性控制方法研究。创新性提出了基于虚拟曲轴概念及耗散哈密顿能量整形理论的自由活塞运动非线性轨迹跟踪控制方法。建立了虚拟曲轴半径、等效虚拟曲轴转速与自由活塞运动轨迹,以及有效输出电功率、系统效率之间的映射关系。分析了虚拟曲轴参数对活塞运动轨迹、输出性能的影响。以此建立了以系统效率最优为目标的自由活塞最优轨迹规划模型,并通过编程仿真验证了轨迹优化模型的有效性。建立了自由活塞内燃直线发电机耗散哈密顿模型,设计了基于能量整形的自由活塞运动反馈控制律。并通过Matlab/Simulink仿真平台,验证了所提出的控制方法的可行性和有效性。(5)内燃机操作功能测试及直线电机性能测试。搭建了内燃机喷油、点火、进排气功能测试平台,设计了辅助内燃机活塞往复运行的大推力音圈电机。通过点火试验测试验证了内燃机各附件操作功能的正确性和可靠性;试制了直线电机样机,搭建了适用于长行程、大功率、大推力的直线电机测试平台,并开发了基于Labview的数据采集系统。分别测试了不同往复运行频率下直线电机性能,验证了直线电机有限元电磁仿真设计方案的可行性。为后续系统集成及性能优化奠定了良好的试验条件。上述工作,涵盖了从系统设计到控制的理论方法,作者在试图架构一条完整且清晰的研究路线。其意义在于从源头性系统匹配设计工作,到系统集成开发,再到实验测试的每个环节,均尽可能避免容易致使耦合系统不稳定运行因素的影响。研究工作既有理论上的创新,又有方法上的创新,为后续研究提供了重要的理论基础及实验依据。

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关键词：

自由活塞 内燃直线发电机 混合动力增程 系统设计理论 非线性运动控制