[发明专利]自由活塞发动机活塞运动轨迹控制方法

说明书

技术领域

本发明属于控制技术领域。

背景技术

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。

发明内容

本发明的目的是根据自由活塞内燃发电机的工作机理，在MATLAB环境下搭建自由活塞内燃发电机机理模型系统，能有效的对干扰进行补偿，保持自由活塞内燃发电机稳定运行的自由活塞发动机活塞运动轨迹控制方法。

本发明步骤是：

①自由活塞发电机仿真模型的搭建；

②自由活塞发电机活塞轨迹控制；使活塞的轨迹跟踪上参考轨迹，参考轨迹为FPEG工作在驾驶员需要的负载下，同时满足安全条件时的活塞运行轨迹；

③建立面向控制的模型；

④线性二次型最优控制器的设计；

⑤扩张状态观测器的设计；

⑥不确定性补偿。

本发明自由活塞发电机仿真模型的搭建过程是：

⑴运动学模推导：

自由活塞发电机受力规定向右运动为正；其中，F_l为左缸活塞受力，F_r为右缸活塞受力，F_e为电磁负载力，m为运动件质量，等效为作受迫振动的二阶阻尼系统，

在等效后的模型的基础上，根据牛顿第二定律可得：

式中，为运动件的加速度；F_l＝p_l·S；F_r＝p_r·S；而p_l为左缸活塞受到的左缸内气体压力；p_r为右缸活塞受到的右缸内的气体压力；S为活塞顶部的受力面积，左右缸相等；k_v为电磁负载系数；为运动件的加速度；

⑵热力学过程模型推导：

气缸内的压力变化分为燃料燃烧引起的热力学压力变化与气体在活塞运动过程中缸内体积变化造成的动力学压力变化，得：p＝p_dy+p_th；其中，P_dy表示动力学带来的压力变化；P_th表示热力学带来的压力变化；

则根据等熵变化过程的热力学公式，左缸及右缸中由于运动学引起的压力变化分别表示为：

其中，p₀为压缩冲程起始点缸内压力，即进气终了的缸内压力，近似为大气压力；V₀＝L_s·S 为活塞在半冲程时的缸内体积，L_s为活塞半冲程的长度；V_l＝(L_s+x)·S为左缸内变化的体积， x为活塞的运动位移；V_r＝(L_s-x)·S为右缸内变化的体积；γ为等熵膨胀系数；

左缸及右缸内由于热力学变化带来的压力变化分别为：

其中，Δp_th为燃料燃烧带来的压力；V_c＝L_c·S为间隙体积，L_c为压缩间隙值；得出左缸活塞及右缸活塞的受力为：

其中，σ_l与σ_r为左右缸内燃烧压力释放的判断系数，

⑶热力转换模型推导：

根据热力学第一定律公式：

ΔU＝Q-W+H；(5)

其中，ΔU为气缸内变化的热力学能；Q为燃烧所释放的热量；W为气缸通过活塞对外做的功，通过活塞对外做的功W＝0；H为气缸内的质量交换带来的焓值变化，H＝0；气缸内最终的热力学等式为ΔU＝Q；

气缸内的进气量：

m_a＝k·m_a0(6)