一种直线内燃发电系统匹配设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种直线内燃发电系统匹配设计方法及系统，包括：确定工质参数和燃料参数，输入目标频率及目标行程；设置系统待设计参数的上下边界，以用户匹配设定需求为目标，进行多目标参数优化，获得多组满足需求的系统优化参数；依据优化参数给出质量和电磁系数选项，用户从给定选项中选择预期质量和电磁系数；依据用户的选择确定多组系统优化参数；设置系统参数的边界；并行进行多目标寻优，获得多组匹配设计参数，用户从中选择一组匹配设计方案；依据用户选择的匹配设计方案，设置系统参数，对系统进行时域、频域仿真；若不满足用户需求，则返回重新选择设计方案；若满足用户需求，则系统输出本次匹配设计参数，及该参数下系统的性能仿真。系统的性能仿真。系统的性能仿真。

【技术实现步骤摘要】
一种直线内燃发电系统匹配设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及直线内燃发电系统
，具体涉及一种直线内燃发电系统匹配设计方法及系统。

技术介绍

[0002]在新能源领域，直线内燃发电系统作为一种潜力巨大的未来动力形式，成为学者和企业的研究热点；其中，直线内燃发电系统主要由直线内燃机和直线电机组成。
[0003]直线内燃发电系统不像传统的内燃系统，它没有曲柄连杆机构，运行过程中机械限制条件少，传统的内燃动力匹配设计方式不再使用直线内燃发电系统。直线内燃发电系统的运行频率、运行行程、电机性能直接影响了直线内燃动力系统的性能。
[0004]在现有的技术中，有以下公开的技术：
[0005]中国专利CN202110024251.3，一种基于发动机的自由活塞直线发电机匹配优化方法；
[0006]中国专利CN202110024233.5，一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法。
[0007]上述的技术方案均仅考虑发动机(内燃动力)与直线电机的功率匹配，优化移动部分质量选择，未考虑匹配设计的发动机参数及电机参数是否具备运行条件；且对内燃动力部分的计算均以传统发动机功率计算方式通过转速、扭矩来计算功率。对于自由活塞直线电机(直线内燃发电系统)运动为直线往复运动，没有旋转运动，用转速和扭矩计算功率准确度低，未考虑直线内燃发电系统实际的运行特性，且匹配设计不仅需要进行功率匹配，匹配设计首先需要满足直线内燃发电系统运动性能匹配(满足一定的运行特性)。
[0008]直线内燃发电系统作为一个多物理场耦合系统，其匹配设计参数众多，涉及内燃机学、热力学、电磁学等多个领域，匹配设计需要考虑系统运动性能及输出性能，同时考虑实际软硬件条件、设计流程简化。本领域尚未形成系统可行的匹配设计方法，直线内燃发电系统作为一种未来动力形式，其配套的系统匹配设计方法及系统亟待形成，以推进直线内燃发电动力系统的研究就应用。

技术实现思路

[0009]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种直线内燃发电系统匹配设计方法及系统。
[0010]本专利技术公开了一种直线内燃发电系统匹配设计方法，包括：
[0011]步骤1、用户设定工质及燃料，确定工质参数和燃料参数；
[0012]步骤2、用户输入匹配设计需求，所述匹配设计需求包括目标频率com
f
及目标行程com
s
；
[0013]步骤3、依据专家系统设置系统待设计参数k1、k2、k3、k4的上下边界；
[0014]步骤4、以用户匹配设定需求为目标，进行多目标参数优化，获得多组满足需求的
系统优化参数k1、k2、k3、k4；
[0015]步骤5、依据优化参数给出质量M和电磁系数K
v
选项，用户从给定选项中选择预期质量和电磁系数(可多选)；
[0016]步骤6、依据用户的选择确定多组k1、k2、k3、k4；
[0017]步骤7、设置系统参数的边界；
[0018]步骤8、并行进行多目标寻优，获得多组匹配设计参数；
[0019]步骤9、用户从中选择一组匹配设计方案；
[0020]步骤10、依据用户选择的匹配设计方案，设置系统参数，对系统进行时域、频域仿真；
[0021]步骤11、若用户不满意当前匹配设计方案下的仿真结果，返回重新选择匹配设计方案；若满足用户需求，则系统输出本次匹配设计参数，及该参数下系统的性能仿真。
[0022]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤1，包括：
[0023]用户选择工质，设定的可选项有理想气体和空气；
[0024]用户选择燃料，设定的可选项包括汽油、甲醇、乙醇和氢气，用户可选定一种工质和一种燃料；
[0025]确定燃料和工质后，系统调用相应的属性参数；其中，燃料参数包括燃料低热值Q
lhv
、燃烧效率η
c
和压缩比CR，工质参数包括气体常数R、等压比热容C
p
和绝热系数γ。
[0026]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤2，包括：
[0027]用户输入设计目标频率和目标行程，目标频率被赋值给com
f
，目标频率被赋值给com
s
。
[0028]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤4，包括：
[0029]考虑对系统的轻量化设计及能量输出最大化设计，将系统设计目标设置为：
[0030][0031]将用户匹配设计需求及待设计参数的上下边界作为约束：
[0032][0033]式中，l
a
为待设计参数k1的下限，u
a
为待设计参数k1的上限，l
b
为待设计参数k2的下限，u
b
为待设计参数k2的上限，l
c
为待设计参数k3的下限，u
c
为待设计参数k3的上限，l
d
为待设计参数k4的下限，u
d
为待设计参数k4的上限，o(s)为系统仿真中实际运行行程，o(f)为系统仿真中实际运行频率，δ1为设计行程允许误差，δ2为设计频率允许误差；
[0034]基于多目标遗传算法(NSGA
‑
II算法)，对所述的多目标优化问题展开全域寻优；在给定的迭代次数、种群规模、拥挤度条件下，迭代交叉变异，最终获得系统的帕累托解集。
[0035]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤5，包括：
[0036]所述帕累托解集为非劣解的集合，由多组解组成，选取其中前三组解作为用户选
项；其中每个选项中的：
[0037]M＝k2[0038]k
v
＝k3[0039]用户可从给出的三个选项中选取1～3个选项作为后续匹配设计的约束条件。
[0040]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤6，包括：
[0041]系统依据用户选择的M及k
v
确定继续执行后续操作的解，若用户同时选择多个选项，系统将对用户所选的所有解执行后续的操作。
[0042]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤7，包括：
[0043]所设边界并非精确对参数进行限制，仅从参数物理意义合理性方面对参数进行边界设置；其中，所述系统参数包括结构参数和运行参数，即{AFR，L
max
，D，p0，T0}等。
[0044]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤8，包括：
[0045]若用户前期选择了多个选项则开启并行运算，多个优化问题同时开展，若用户仅选择了一个选项，则后续优化采用单个问题串行运算；
[0046]针对每个优化问题，将轻量化、紧凑化、燃油经济性作为优化目标，对AFR、D、L
max
、k
t
、T0、p0参数的求解。
[0047]考虑对系统的轻量化、紧凑化、燃油经济性设计，将系统设计目标设置为：
[0048本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直线内燃发电系统匹配设计方法，其特征在于，包括：用户设定工质及燃料，确定工质参数和燃料参数；用户输入匹配设计需求，所述匹配设计需求包括目标频率com
f
及目标行程com
s
；设置系统待设计参数k1、k2、k3、k4的上下边界；以用户匹配设定需求为目标，进行多目标参数优化，获得多组满足需求的系统优化参数k1、k2、k3、k4；依据优化参数给出质量M和电磁系数K
v
选项，用户从给定选项中选择预期质量和电磁系数；依据用户的选择确定多组k1、k2、k3、k4；设置系统参数的边界；并行进行多目标寻优，获得多组匹配设计参数；用户从中选择一组匹配设计方案；依据用户选择的匹配设计方案，设置系统参数，对系统进行时域、频域仿真；若用户不满意当前匹配设计方案下的仿真结果，返回重新选择匹配设计方案；若满足用户需求，则系统输出本次匹配设计参数，及该参数下系统的性能仿真。2.如权利要求1所述的直线内燃发电系统匹配设计方法，其特征在于，所述用户设定工质及燃料，确定工质参数和燃料参数；包括：用户选择工质，设定的可选项有理想气体和空气；用户选择燃料，设定的可选项包括汽油、甲醇、乙醇和氢气，用户可选定一种工质和一种燃料；确定燃料和工质后，系统调用相应的属性参数；其中，燃料参数包括燃料低热值Q
lhv
、燃烧效率η
c
和压缩比CR，工质参数包括气体常数R、等压比热容C
p
和绝热系数γ。3.如权利要求1所述的直线内燃发电系统匹配设计方法，其特征在于，所述以用户匹配设定需求为目标，进行多目标参数优化，获得多组满足需求的系统优化参数k1、k2、k3、k4；包括：考虑对系统的轻量化设计及能量输出最大化设计，将系统设计目标设置为：将用户匹配设计需求及待设计参数的上下边界作为约束：式中，l
a
为待设计参数k1的下限，u
a
为待设计参数k1的上限，l
b
为待设计参数k2的下限，u
b
为待设计参数k2的上限，l
c
为待设计参数k3的下限，u
c
为待设计参数k3的上限，l
d
为待设计参数k4的下限，u
d
为待设计参数k4的上限，o(s)为系统仿真中实际运行行程，o(f)为系统仿真
中实际运行频率，δ1为设计行程允许误差，δ2为设计频率允许误差；基于多目标遗传算法，对所述的多目标优化问题展开全域寻优；在给定的迭代次数、种群规模、拥挤度条件下，迭代交叉变异，最终获得系统的帕累托解集。4.如权利要求3所述的直线内燃发电系统匹配设计方法，其特征在于，所述依据优化参数给出质量M和电磁系数K
v
选项，用户从给定选项中选择预期质量和电磁系数；包括：所述帕累托解集为非劣解的集合，由多组解组成，选取其中前三组解作为用户选项；其中每个选项中的：M＝k2k
v
＝k3用户可从给出的三个选项中选取1～3个选项作为后续匹配设计的约束条件。5.如权利要求1所述的直线内燃发电系统匹配设计方法，其特征在于，所述依据用户的选择确定多组k1、k2、k3、k4；包括：系统依据用户选择的M及k
v
确定继续执行后续操作的解，若用户同时选择多个选项，系统将对用户所选的所有解执行后续的操作；所述设置系统参数的边界，包括：所设边界并非精确对参数进行限制，仅从参数物理意义合理性方面对参数进行边界设置；其中，所述系统参数包括结构参数和运行参数。6.如权利要求1所述的直线内燃发电系统匹配设计方法，其特征在于，所述并...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾博儒，魏一迪，张志远，冯慧华，左正兴，苗家正，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：