一种自由活塞式斯特林发电机的仿真控制方法技术

本发明专利技术公开了一种自由活塞式斯特林发电机的仿真控制方法，该仿真控制方法根据自由活塞式斯特林发电机及其控制系统组成部分，建立了斯特林原动机模型、直线永磁同步发电机的模型以及控制系统的模型。由此，本发明专利技术建模方法填补了本发明专利技术填补了基于流体力学、热力学和动力学综合建模的FPSLM仿真控制系统的空白，避免了基于简化斯特林模型的FPSLM仿真控制系统真实性不高的问题，从而提高了仿真的准确度、真实性和可扩展性，可以有效逼近FPSLM实际的工作特性。

A simulation control method of free piston Stirling generator

【技术实现步骤摘要】
一种自由活塞式斯特林发电机的仿真控制方法
本专利技术属于电机仿真辅助设计
，具体涉及一种自由活塞式斯特林发电机的仿真控制方法。
技术介绍
近年来，国家对深空探测的关注日益密切，空间能源供给系统的发展受到了高度重视；FPSLM(Free-PistonStirlingLinearMotor，自由活塞式斯特林直线发电机)作为其中的重点技术之一，成为21世纪初航空航天领域的研究热点。FPSLM具有效率高、功率密度高、可靠性高、寿命长、噪声低、能源友好、结构简单等优势，然而在实际应用实施过程中由于受负载影响大，FPSLM需要通过控制系统提升其可靠性。此外，现阶段的FPSLM热电转换效率有待提升，控制系统能够通过反馈控制和PFC(PowerFactorCorrection，功率因数校正)等控制方法提升其高效性；由于FPSLM实物开发成本高，空间实验环境难实现等原因，建立模型对其控制系统进行研究可以提高开发效率、降低开发成本。如图1所示，FPSLM由自由活塞式斯特林原动机、永磁直线同步发电机和控制电路组成，其中自由活塞式斯特林原动机由动力活塞(同时作为同步电机次级)、配气活塞、支撑装置以及六个工作腔(弹簧腔、膨胀腔、加热器、回热器、冷却器和压缩腔)组成；永磁直线同步电机由初级线圈、次级永磁体组成；控制电路由位移反馈电路、电压反馈电路、电流反馈电路、整流器组成，控制电路的输出端连接负载。目前有关FPSLM仿真模型的研究，大多将斯特林原动机的工作过程简化，或假定活塞以一定的冲程做正弦运动，或忽略内部工作腔压强的变化，或忽略传热过程，在简化前端模型的基础上研究控制策略，建立控制系统的模型。由于简化的FPSLM模型假设动力活塞受力方程中涉及到的压强与工质温度两参数为定值，或不考虑活塞受力情况，直接给定其运动方程，将导致对整机的工作性能仿真结果与实际情况的一致性降低，控制仿真的真实性降低。因此，要通过建立更准确的斯特林原动机数学模型，更好地反应斯特林原动机的热过程和活塞活力情况，提高模型与实际情况的一致性、仿真过程的真实性及仿真结果的准确性，为控制策略的研究提供更加真实的仿真模型，并增加其可扩展性。郑萍等人在文献《自由活塞式斯特林永磁直线发电机控制系统研究，中国科技论文在线.2010》中建立了自由活塞式斯特林永磁同步直线发电机起动阶段和发电阶段的仿真控制系统，但是该模型中斯特林原动机和发电机之间没有电磁力的联系，且不从热力学角度考虑斯特林原动机中工质的压强和温度变化。SmirnovD等人在文献《StirlingEngineSystemsTradespaceExplorationFramework，ProcediaComputerScience,2015,44:558-567》中建立一个包含斯特林循环热力学模型、成本预测模型、换热器模型和斯特林设计模型的斯特林发电机仿真系统，但该系统的仿真结果主要为不同设计参数下斯特林发动机的输出指标，无法对斯特林发电机的控制进行研究。由此可见，尽管前人对FPSLM仿真控制系统已经做了大量研究，但是基于流体力学、热力学和动力学综合建模的FPSLM仿真控制系统依旧尚未完善。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种自由活塞式斯特林发电机的仿真控制方法，可以满足仿真中对更高准确度和更强可扩展性的要求。一种自由活塞式斯特林发电机的仿真控制方法，包括如下步骤：(1)建立基于流体力学、热力学和动力学的斯特林原动机模型；(2)建立永磁直线同步发电机模型；(3)建立控制系统模型；(4)基于上述斯特林原动机模型、永磁直线同步发电机模型以及控制系统模型对FPSLM进行联合仿真。进一步地，所述步骤(1)中斯特林原动机模型的动力学方程表达式如下：其中：Pe为膨胀腔的工质压强，Pb为缓冲腔的工质压强，Pcs为压缩腔的工质压强，Ad为配气活塞的截面积，Ap为动力活塞的截面积，Arod为配气活塞的连杆截面积，md为配气活塞的质量，mp为动力活塞的质量，Dp为动力活塞的阻尼系数，kd为配气活塞的弹性系数，xd为配气活塞的位移，为配气活塞的加速度，为动力活塞的速度，Fe为永磁直线同步发电机的电磁力。进一步地，所述步骤(1)中斯特林原动机模型的热力学方程表达式如下：dQh＝-Vedp+Vcsdp-dQk其中：mn为任一工作腔内的工质质量，pn为任一工作腔内的工质压强，Vn为任一工作腔的体积，dVn为体积Vn的变化率，Rgas为工作腔内的工质气体(氦气)常数，Tn为任一工作腔内的工质温度，p为工作腔内的工质循环平均压强，dp为工质循环平均压强p的变化率，mwork为所有工作腔内的工质总质量，Ve为膨胀腔的体积，dVe为体积Ve的变化率，Vh为加热器的体积，Vr为回热器的体积，Vk为冷却器的体积，Vcs为压缩腔的体积，dVcs为体积Vcs的变化率，Th为加热器的工质温度，Tr为回热器的工质温度，Tk为冷却器的工质温度，dW为斯特林原动机中工质的瞬时总功率，dQk为斯特林原动机的冷端传热率，dQh为斯特林原动机的热端传热率，cp为工质的等压热容，cv为工质的等容热容，Th为斯特林原动机的热端工质温度，Tk为斯特林原动机的冷端工质温度，Twh为斯特林原动机的热端壁面温度，Twk为斯特林原动机的冷端壁面温度，hh为斯特林原动机的热端传热系数，hk为斯特林原动机的冷端传热系数，Awh为斯特林原动机的热端壁面面积，Awk为斯特林原动机的冷端壁面面积，NTUr为回热器的传热单元数，Awr为回热器的壁面面积，Ar为回热器的截面积，hr为回热器的传热系数。进一步地，所述步骤(1)中斯特林原动机模型的流体力学方程表达式如下：pe＝pcs+Δpk+Δpr+Δph其中：ρn为任一工作腔内的工质密度，mn为任一工作腔内的工质质量，Vn为任一工作腔的体积，un为任一工作腔内的工质流速，dmn为工质质量mn的变化率，An为任一工作腔的截面积，Fn为任一工作腔内的工质摩擦力，frn为任一工作腔的摩擦系数，dhn为任一工作腔的特征长度，Kn为任一工作腔的损耗系数，Lhxn为任一工作腔的换热长度，Δpn为任一工作腔内的工质压降，Ahxn为任一工作腔的横截面流动面积，pe为膨胀腔的工质压强，pcs为压缩腔的工质压强，Δpk为冷却器的工质压降，Δpr为回热器的工质压降，Δph为加热器的工质压降。进一步地，所述步骤(2)中永磁直线同步发电机模型表达式如下：Fe＝-kaltIi其中：E为永磁直线同步发电机的感应电动势，kalt为永磁直线同步发电机的感应系数，为动力活塞的速度，Fe为永磁直线同步发电机的电磁力，Ii为控制电路的输入电流。进一步地，所述步骤(3)中控制系统模型包括冲程环、电压环和电流环，所述冲程环使动力活塞的实际冲程与给定的冲程参考值进行比较，进而对冲程偏差及冲程偏差变化率进行模糊控制，生成输出电压参考值；所述电压环使负载输出电压与输出电压参考值进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由活塞式斯特林发电机的仿真控制方法，包括如下步骤：/n(1)建立基于流体力学、热力学和动力学的斯特林原动机模型；/n(2)建立永磁直线同步发电机模型；/n(3)建立控制系统模型；/n(4)基于上述斯特林原动机模型、永磁直线同步发电机模型以及控制系统模型对FPSLM进行联合仿真。/n

【技术特征摘要】
1.一种自由活塞式斯特林发电机的仿真控制方法，包括如下步骤：
(1)建立基于流体力学、热力学和动力学的斯特林原动机模型；
(2)建立永磁直线同步发电机模型；
(3)建立控制系统模型；
(4)基于上述斯特林原动机模型、永磁直线同步发电机模型以及控制系统模型对FPSLM进行联合仿真。


2.根据权利要求1所述的仿真控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中斯特林原动机模型的动力学方程表达式如下：






其中：Pe为膨胀腔的工质压强，Pb为缓冲腔的工质压强，Pcs为压缩腔的工质压强，Ad为配气活塞的截面积，Ap为动力活塞的截面积，Arod为配气活塞的连杆截面积，md为配气活塞的质量，mp为动力活塞的质量，Dp为动力活塞的阻尼系数，kd为配气活塞的弹性系数，xd为配气活塞的位移，为配气活塞的加速度，为动力活塞的速度，Fe为永磁直线同步发电机的电磁力。


3.根据权利要求1所述的仿真控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中斯特林原动机模型的热力学方程表达式如下：

dW＝∑pndVn



dQh＝-Vedp+Vcsdp-dQk



其中：mn为任一工作腔内的工质质量，pn为任一工作腔内的工质压强，Vn为任一工作腔的体积，dVn为体积Vn的变化率，Rgas为工作腔内的工质气体常数，Tn为任一工作腔内的工质温度，p为工作腔内的工质循环平均压强，dp为工质循环平均压强p的变化率，mwork为所有工作腔内的工质总质量，Ve为膨胀腔的体积，dVe为体积Ve的变化率，Vh为加热器的体积，Vr为回热器的体积，Vk为冷却器的体积，Vcs为压缩腔的体积，dVcs为体积Vcs的变化率，Th为加热器的工质温度，Tr为回热器的工质温度，Tk为冷却器的工质温度，dW为斯特林原动机中工质的瞬时总功率，dQk为斯特林原动机的冷端传热率，dQh为斯特林原动机的热端传热率，cp为工质的等压热容，cv为工质的等容热容，Th为斯特林原动机的热端工质温度，Tk为斯特林原动机的冷端工质温度，Twh为斯特林原动机的热端壁面温度，Twk为斯特林原动机的冷端壁面温度，hh为斯特林原动机的热端传热系数，hk为斯特林原动机的冷端传热系数，Awh为斯特林原动机的热端壁面面积，Awk为斯特林原动机的冷端壁面面积，NTUr为回热器的传热单元数，Awr为回热器的壁面面积，Ar为回热器的截面积，hr为回热器的传热系数。


4.根据权利要求1所述的仿真控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中斯特林原动机模型的流体力学方程表达式如下：




pe＝pcs+Δpk+Δpr+Δph
其中：ρn为任一工作腔内的工质密度，mn为任一工作腔内的工质质量，Vn为任一工作腔的体积，un为任一工作腔内的工质流速，dmn为工质质量mn的变化率，An为任一工作腔的截面积，Fn为任一工作腔内的工质摩擦力，frn为任一工作腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱麟，吴奇奕，马吉恩，林文立，黄晓艳，方攸同，
申请(专利权)人：浙江大学，北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：浙江;33