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原文传递基于反步法的线性增程器稳定运行控制策略研究

论文题名：	基于反步法的线性增程器稳定运行控制策略研究
关键词：	线性增程器;稳定运行;控制策略;反步法
摘要：	线性增程器（Linear Range Extender，简称LRE）因活塞无曲柄连杆机构的束缚，自由的活塞运动特性带来了潜在热效率高、多燃料适用性和低摩擦损耗等优点，在混合动力汽车、无人机和机器人增程应用方面具有广阔的前景。然而，缺乏机械机构限制活塞振幅边界，活塞易受燃烧因子和负载等干扰的影响而脱离稳定运动界限，对活塞运动轨迹的精确控制成为了解决LRE失稳的关键措施。本文以LRE长时间稳定运行为目的，通过对活塞往复振动特性进行力学分析，建立了活塞在燃烧气体作用力、直线电机电磁力、摩擦力以及机械弹簧力耦合模型下的非线性振动方程，同时以发动机压缩、膨胀、排气、扫气过程为主线，构建了LRE全循环周期运动模型，并以试验验证了仿真模型的准确性。然后，以能量输入波动替代燃烧变动，结合全循环仿真模型，深入探究了LRE失稳过程，同时在考虑常规PID控制算法无法满足系统的高阶非线性和强耦合特性的控制难题，提出了基于反步法设计的非线性控制器来解决LRE出现的燃烧循环波动失稳和直接失火事件。具体研究工作和所得结论如下：　　1. 燃烧循环波动失稳恢复控制策略　　面向LRE燃烧循环波动失稳问题，本文以能量调控为原理，活塞失稳状态为指引，平衡燃烧波动为目标，利用负载与电磁力的映射关系，建立了等效电路获得电磁力的连续调节方法。然后，以反步法设计原理为基础，活塞位移和速度作为反馈参数，耦合活塞动力学模型构建了轨迹跟踪自适应控制模型，同时给定理想工况为参考轨迹，进一步分析了燃烧循环波动下的控制器作用效果。结果表明，采用轨迹跟踪自适应控制器能够在当前膨胀行程消除燃烧循环波动，并保持LRE的活塞始终跟踪在期望目标轨迹下运动。与此同时，控制器能够准确且快速的估计出系统缓慢变化的摩擦系数，展现出较好的自适应特性。　　2. 动态驱动力失火故障恢复控制策略　　针对LRE直接失火问题，切换直线电机工作模式，本文采用外部激励源输入的方式，以活塞位移、速度和直线电机电流作为反馈参数，活塞动力学模型为枢纽，基于反步法设计原理结合直线电机模型建立了位移-速度-电流三闭环控制模型，外环采用位移闭环控制，内环为速度-电流闭环控制，同时给定理想工况为参考轨迹，分析了活塞动态、激励力与耗散力的响应，进一步揭示了控制器的作用效果。结果表明，采用动态电机驱动力失火故障恢复控制策略能够实现活塞在失火事件发生后的当前膨胀行程按照理想燃烧工况轨迹快速运动到标定的下止点位置处，失火故障恢复时间较快，但直线电机瞬时电流较高，对直线电机有着较高性能要求。　　3. 恒定驱动力失火故障恢复控制策略　　为解决LRE失火事件，本文还提出了恒定驱动力失火故障恢复控制。以理想工况下的活塞振幅极限为运动参考边界，基于能量守恒原理，构建了失火求解器，计算出了理论失火驱动力，同时以反步法设计原理为基础，建立了恒定电机推力控制模型。仿真结果显示，与动态驱动力失火故障控制策略相比，采用恒定驱动力失火故障恢复控制策略失火故障恢复时间更长，且控制精度更低，但对直线电机性能要求更低且更易控制，同时其控制过程中输入电能仅为动态驱动力失火故障恢复控制策略的一半不到。另外，基于反步法设计的电机恒定推力控制器也很好的实现了电机推力恒定在固定值。
作者：	周利富
专业：	交通运输
导师：	袁晨恒
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023