基于分数阶PID的自由活塞内燃电机动力系统优化控制方法技术方案

本发明专利技术公开了基于分数阶PID的自由活塞内燃电机动力系统优化控制方法，包括：根据直线内燃电机的运动特性建立FPEG系统的动力学模型；确定FPEG系统输入输出关系，对所动力学模型进行仿真，设计分数阶PI

【技术实现步骤摘要】
基于分数阶PID的自由活塞内燃电机动力系统优化控制方法


[0001]本专利技术涉及工程结构优化设计领域，具体涉及基于分数阶PID的自由活塞内燃电机动力系统优化控制方法。

技术介绍

[0002]内燃机自被专利技术以来，已成为现代社会最重要的动力机械装置。往复活塞式内燃机作为内燃机的一种，在汽车上得到了最广泛的应用，并极大的改善了人类交通方式。往复活塞式内燃机工作过程中，气缸内空气与燃料燃烧后产生的高温高压气体推动曲柄连杆机构对外做功，将燃料的化学能量最终转化为曲轴旋转的动能输出。但是该过程能量转换效率较低，大部分的能量消耗于机械摩擦与热传递中。同时随着内燃机使用数量的剧烈增加，与之而来的尾气污染及石化能源短缺也成为了各个国家面临的重要问题。在此背景下，出现了自由活塞内燃发电机(free
‑
piston engine linear generator，简称FPEG)这一种新型动力装置。和传统的往复活塞式内燃机相比，FPEG摒除了曲柄连杆机构，它将自由活塞式内燃机与直线发电机耦合为一体，活塞与直线发电机的动子相连，组成唯一的显著运动部件。在FPEG工作过程中，气缸内燃气混合物燃烧后气体膨胀做功，推动活塞组件往复运动切割发电机内部磁感线，将燃料的化学能转换为电能输出，能量传递链大大缩短，能量转换效率得以提高。由于没有曲柄连杆机构，曲轴、飞轮等机械组件被去除，FPEG具有高活塞密度的特点。线性的结构及运动导致活塞及气缸套件的侧向力减小，同时活塞与电机动子组成唯一显著的运动部件，因此FPEG具有较少的摩擦和磨损。由于活塞的往复运动不受机械结构的限制，该发动机具有可变压缩比的特性。可通过调整系统部分软件及硬件设置，使FPEG具备多燃料及多燃烧模式适应性。基于以上优点，FPEG成为近年来在新型动力机械装置方向的研究热点之一。
[0003]现有针对FPEG的控制方法多采用传统PID控制器，且PID参数依靠经验所得，未能形成完备的技术依据，而在控制领域，传统的PID控制虽然应用广泛，但仍然有一些复杂的控制系统难以通过PID控制取得令人满意的结果，由于FEPG系统控制过程过于复杂，且涉及不同工况的切换操作，使用传统PID控制自由活塞内燃电机仍存在控制精度不高，鲁棒性不强，难以实现电机高频运转情况下的活塞位移控制等问题。
[0004]分数阶PI
λ
D
μ
是在分数阶微积分基础上提出的，分数阶微积分的概念是和整数阶微积分一起出现的，分数阶微积分是针对微分和积分阶次为分数时的一种求解方法，随着分数阶微积分理论的不断完善，分数阶微积分的应用也逐渐变得广泛起来。分数阶微积分目前有三种定义形式，包括G
‑
L定义、R
‑
L定义和Caputo定义。R
‑
L定义和Caputo定义是在G
‑
L定义基础上简化计算得出的，是对G
‑
L定义的改进。G
‑
L定义更适合于对分数阶微积分的直接离散化和数值计算；R
‑
L定义可以简化分数阶微积分的计算，更适用于针对分数阶微积分的理论分析；Caputo定义使分数阶微积分的Laplace计算更间接，适用于分数阶微分方程的求解。
[0005]分数阶PI
λ
D
μ
是在传统PID基础上将微分和积分的阶次扩大调节范围至0
‑
2之间，使
控制更具灵活性。目前，分数阶微积分理论已经被广泛应用于电力，冶金，化工和控制等工业领域。随着对控制精度要求的不断提高，在分数阶微积分理论的基础上，分数阶PI
λ
D
μ
控制器应运而生。分数阶PI
λ
D
μ
控制器就是在传统的PID控制器基础上引入了积分阶次λ和微分阶次μ，合理地选择分数阶PI
λ
D
μ
控制器的λ和μ参数可以取得比传统整数阶PID控制器更好的控制性能。目前分数阶PI
λ
D
μ
控制器的数字实现方法主要有解析法和数值法，解析法由于其计算和转换十分复杂，因此主要用于理论推导，在实际仿真和应用中主要使用数值法。数值法分为时域近似和Z域近似，时域近似就是直接利用分数阶微积分的定义在时域进行近似计算，Z域近似又分为连续近似法和离散近似法，连续近似法中由Oustaloup提出的近似算法目前应用较为广泛。
[0006]遗传算法(GA)起源于对生物系统所进行的计算机模拟研究，是一种随机全局搜索优化方法，它模拟了自然选择和遗传中发生的复制、交叉和变异等现象，从任一初始种群出发，通过随机选择、交叉和变异操作，产生一群更适合环境的个体，使群体进化到搜索空间中越来越好的区域，这样一代一代不断繁衍进化，最后收敛到一群最适应环境的个体，从而求得问题的优质解。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于，提出一种基于分数阶PI
λ
D
μ
的自由活塞内燃电机动力系统优化控制方法，其在合适范围内调节λ和μ值可使系统超调减小、震荡次数变少、调节时间减小、响应速度加快、稳态精度提高。
[0008]为实现上述目的，本申请提出的基于分数阶PID的自由活塞内燃电机动力系统优化控制方法，包括：
[0009]根据直线内燃电机的运动特性建立FPEG系统的动力学模型；
[0010]确定FPEG系统输入输出关系，对所动力学模型进行仿真，设计分数阶PI
λ
D
μ
控制器的参数，所述参数包括比例增益Kp，积分系数Ki，微分系数Kd，积分阶次λ，微分阶次μ。
[0011]进一步的，所述直线内燃电机通过带动活塞运行使气缸压缩，点燃气缸内压缩的气体，带动活塞进行做功，对外输出电能；在控制过程中，通过电机提供推力或阻力，来使活塞行程近似为正弦信号，电机的模式处于电动机模式或者发电机模式。在对FPEG系统控制过程中，存在活塞不受机械限制，止点位置易发生变化的问题，因此需要在控制过程中及时反馈上一循环活塞的上止点位置，然后调节本次循环活塞在行程中点的速度，最后使活塞运动轨迹为正弦信号形状。FPEG系统运动组件主要包括活塞组件、连杆和电机动子，根据牛顿第二定律，运动组件的动力学方程可以表示为：
[0012][0013]其中，m为运动组件质量(kg)，F
l
为来自左侧气缸的气体压力(N)，F
r
为来自右侧气缸的气体压力(N)，F
e
为电磁阻力(N)，F
f
为活塞及动子组件受到的摩擦力总和。
[0014]进一步的，将压缩及膨胀过程看作绝热过程，左侧气缸的气体压力F
l
、右侧气缸的气体压力F
r
可进一步表示为：
[0015][0016][0017]其中，p0为初始压力(Pa)，L
s
为压缩行程长度(m)，L
c
为膨胀行程长度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于分数阶PID的自由活塞内燃电机动力系统优化控制方法，其特征在于，包括：根据直线内燃电机的运动特性建立FPEG系统的动力学模型；确定FPEG系统输入输出关系，对所动力学模型进行仿真，设计分数阶PI
λ
D
μ
控制器的参数，所述参数包括比例增益Kp，积分系数Ki，微分系数Kd，积分阶次λ，微分阶次μ。2.根据权利要求1所述基于分数阶PID的自由活塞内燃电机动力系统优化控制方法，其特征在于，根据牛顿第二定律，FPEG系统运动组件的动力学方程表示为：其中，m为运动组件质量(kg)，F
l
为来自左侧气缸的气体压力(N)，F
r
为来自右侧气缸的气体压力(N)，F
e
为电磁阻力(N)，F
f
为活塞及动子组件受到的摩擦力总和。3.根据权利要求1所述基于分数阶PID的自由活塞内燃电机动力系统优化控制方法，其特征在于，将压缩及膨胀过程看作绝热过程，左侧气缸的气体压力F
l
、右侧气缸的气体压力F
r
表示为：表示为：其中，p0为初始压力(Pa)，L
s
为压缩行程长度(m)，L
c
为膨胀行程长度(m)，Δp
cm
为等容放热过程中气缸内气体压力的增量，A为气缸横截面积(m2)，σ
l
和σ
r
为点火顺序，点火时为1，不点火为0；γ为绝热系数，x为活塞的位移(m)。4.根据权利要求3所述基于分数阶PID的自由活塞内燃电机动力系统优化控制方法，其特征在于，所述等容放热过程中气缸内气体压力的增量为：其中，K
t
为节气门开度系数(
‑
)，H
u
为循环内燃料的比内能(J/kg)，CR为运行压缩比(
‑
)，c
v
为等容比热容(J/(kg
·
K))，T0为进气温度(K)，AFR为理论空燃比(
‑
)。5.根据权利要求4所述基于分数阶PID的自由活塞内燃电机动力系统优化控制方法，其特征在于，所述运行压缩比为：6.根据权利要求2所述基于分数阶PID的自由活塞内燃电机动力系统优化控制方法，其特征在于，对自然坐标系下的三相转换至静止坐标系进一步...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙希明，石岩，赵亮，贾博儒，张志远，王鹏，黄亚冰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：