一种基于振动信号的FPLG控制策略仿真模型构建方法及系统技术方案

本公开提出了一种基于振动信号的FPLG控制策略仿真模型构建方法及系统，包括：建立FPLG振动响应仿真模型，用于模拟FPLG缸盖的表面振动信号，以用振动信号分析缸内燃烧过程；基于FPLG振动响应仿真模型建立振动信号的FPLG控制策略仿真模型，用于进行振动特征参数提取、特征参数反馈和FPLG控制参数调整。本公开能获得不同工况下的FPLG振动响应信号、动子运动信号和激励信号等，以获得他们各自的特点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于振动信号的FPLG控制策略仿真模型构建方法及系统


[0001]本公开属于仿真
，尤其涉及一种基于振动信号的FPLG控制策略仿真模型构建方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]自由活塞直线发电机(FPLG)通过电机将内燃机燃烧产生的热能转换为电能输出，可替代增程式混合动力汽车的辅助动力单元，自由活塞直线发电机作为一种新兴的动力装置，是未来新能源汽车动力系统的重要研究方向。
[0004]FPLG系统主要由内燃机和直线发电机组成，其中FPLG中的内燃机和传统内燃机有相似的热力学原理，但在结构上省略了曲轴和飞轮机构，将燃烧产生的热能通过电机转换为所需的能量输出，具有高效率、低油耗等诸多潜在性能优势。
[0005]FPLG将内燃机和直线电机串联连接，其中内燃机活塞、连杆及直线电机动子相连组成了系统动子组件。启动时，直线电机作为电动机拖动动子运动直到达到启动条件；之后，内燃机点火燃烧，推动动子运动，直线电机作为发电机发电。内燃机产生的热能一部分转化为动子的动能，一部分转换为热能，还有一部分则转换为电能输出。但由于内燃机循环变动现象，每循环系统产生的热能都会产生变化，导致动子的运动难以控制，和传统内燃机相比，FPLG系统更容易出现动子运动止点位置不稳定、燃烧循环波动更大、燃烧极差或失火状况，FPLG持续稳定运行存在难度。
[0006]由于目前FPLG系统存在的相关问题，导致对FPLG相关问题进行实验研究存在很大困难。而FPLG运行控制策略研究又是稳定运行的基础，根据FPLG工作原理，若能基于实时燃烧状况调整电能输出，进而保证动子上止点位置维持在一个小的波动范围内，就能实现FPLG的稳定运行。内燃机表面振动信号和缸内燃烧过程密切相关，若能基于振动信号对缸内燃烧过程进行预判，并基于燃烧过程状况调整电能输出，制定相应的基于振动信号的FPLG稳定运行策略，则对FPLG的稳定运行和应用有重要意义。

技术实现思路

[0007]为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于振动信号的FPLG控制策略仿真模型构建方法，能够有效解决目前FPLG实验成本高、实施困难的问题。
[0008]为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
[0009]第一方面，公开了一种基于振动信号的FPLG控制策略仿真模型构建方法，包括：
[0010]建立FPLG振动响应仿真模型，用于模拟FPLG缸盖的表面振动信号，以用振动信号分析缸内燃烧过程；
[0011]基于FPLG振动响应仿真模型建立振动信号的FPLG控制策略仿真模型，用于进行振动特征参数提取、特征参数反馈和FPLG控制参数调整。
[0012]进一步的技术方案，FPLG振动响应仿真模型建模步骤为：
[0013]根据FPLG结构特点和各结构在系统振动过程中起到的作用，确定振动系统的质量元件、阻尼元件和弹性元件；
[0014]根据系统质量元件个数确定系统的自由度；
[0015]对各部分质量进行相应方向的受力分析，根据结构特点，将FPLG系统进行划分后，对各部分质量所受的力进行划分，然后，根据牛顿第二定律或能量守恒原理，确定系统振动响应微分方程。
[0016]进一步的技术方案，确定系统振动响应微分方程之后，确定系统参数，包括系统的质量、刚度和阻尼值，其中系统质量根据实际FPLG结构参数确定或零部件称量得到；弹簧原件的刚度参考经验公式获得或测量得到；阻尼值的大小，根据阻尼比近似确定，系统阻尼比根据实验获得。
[0017]进一步的技术方案，FPLG振动响应仿真模型中，FPLG缸盖的表面振动信号需要加载在FPLG系统上的激励，基于加载在FPLG系统上的激励根据动子运动参数及系统参数等的变化进行仿真，进行激励仿真模型构建。
[0018]进一步的技术方案，所述激励仿真模型构建具体包括：
[0019]电磁力仿真，用于模拟直线电机在运行过程中产生的电磁力；
[0020]摩擦力仿真，用于模拟FPLG系统运行过程中的摩擦，主要包含三部分，左右两气缸的活塞环和气缸壁的摩擦力以及电机运动消耗的摩擦力；
[0021]基于缸内压力的变化取决于内燃机燃烧、传热、压缩、换气、漏气，建立缸内压力仿真模型；
[0022]基于缸内压力、摩擦力和电磁力的仿真和动子运动有关，对动子运动进行仿真，耦合作用在动子上的激励，形成动力学仿真模型。
[0023]更进一步的技术方案，将FPLG分为三部分，中间直线电机和两端的发动机，中间直线电机和两端发动机简化为质量元件；连接直线电机和发动机的连接件简化为弹簧元件和阻尼元件；FPLG通过支架和地面连接，支架简化为弹簧元件。
[0024]更进一步的技术方案，对于背置式FPLG，该FPLG的振动仿真模型用于仿真水平方向的振动响应，将该FPLG系统分为三个质量原件，则系统振动响应自由度为3个，即直线电机和两端发动机的水平方向的振动。
[0025]进一步的技术方案，FPLG控制策略仿真模型中，特征参数提取过程为：根据振动特征参数提取公式，实时读取FPLG振动响应仿真模型对应的振动响应信号包括位移、速度和加速度，并基于振动响应信号，计算燃烧时段对应的振动特征参数。
[0026]进一步的技术方案，所提取振动特征参数能反映燃烧时段对应的平均指示压力IMEP；
[0027]基于振动特征参数和IMEP线性关系，将计算所得振动特征参数反馈到控制系统输入端，并根据振动特征参数和IMEP两者对应图表关系，插值计算得到实时缸内燃烧IMEP。
[0028]进一步的技术方案，FPLG控制参数调整，具体为：基于缸内燃烧IMEP和FPLG目标输出电量线性关系及实时IMEP值，控制系统计算FPLG目标输出电量，并通过调整模型中电磁力参数实现FPLG目标输出电量调整，
[0029]第二方面，公开了一种基于振动信号的FPLG控制策略仿真模型构建系统，包括：
[0030]FPLG振动响应仿真模型建立模块，用于建立FPLG振动响应仿真模型，以模拟FPLG缸盖的表面振动信号，以用振动信号分析缸内燃烧过程；
[0031]FPLG控制策略仿真模型建立模块，用于基于FPLG振动响应仿真模型建立振动信号的FPLG控制策略仿真模型，以进行振动特征参数提取、特征参数反馈和FPLG控制参数调整。
[0032]以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0033]本公开技术方案通过对FPLG系统振动响应仿真模型的建立和分析，可实现以下几方面的有益效果：
[0034]1)获得不同工况下的FPLG振动响应信号、动子运动信号和激励信号等，以获得他们各自的特点；
[0035]2)获得FPLG系统振动响应信号和IMEP及IMEP和目标发电量关系；
[0036]3)基于模型能获得并验证基于振动响应信号的FPLG稳定运行控制策略。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于振动信号的FPLG控制策略仿真模型构建方法，其特征是，包括：建立FPLG振动响应仿真模型，用于模拟FPLG缸盖的表面振动信号，以用振动信号分析缸内燃烧过程；基于FPLG振动响应仿真模型建立振动信号的FPLG控制策略仿真模型，用于进行振动特征参数提取、特征参数反馈和FPLG控制参数调整。2.如权利要求1所述的一种基于振动信号的FPLG控制策略仿真模型构建方法，其特征是，FPLG振动响应仿真模型建模步骤为：根据FPLG结构特点和各结构在系统振动过程中起到的作用，确定振动系统的质量元件、阻尼元件和弹性元件；根据系统质量元件个数确定系统的自由度；对各部分质量进行相应方向的受力分析，根据结构特点，将FPLG系统进行划分后，对各部分质量所受的力进行划分，然后，根据牛顿第二定律或能量守恒原理，确定系统振动响应微分方程。3.如权利要求1所述的一种基于振动信号的FPLG控制策略仿真模型构建方法，其特征是，确定系统振动响应微分方程之后，确定系统参数，包括系统的质量、刚度和阻尼值，其中系统质量根据实际FPLG结构参数确定或零部件称量得到；弹簧原件的刚度参考经验公式获得或测量得到；阻尼值的大小，根据阻尼比近似确定，系统阻尼比根据实验获得。4.如权利要求1所述的一种基于振动信号的FPLG控制策略仿真模型构建方法，其特征是，FPLG振动响应仿真模型中，FPLG缸盖的表面振动信号需要加载在FPLG系统上的激励，基于加载在FPLG系统上的激励根据动子运动参数及系统参数等的变化进行仿真，进行激励仿真模型构建。5.如权利要求1所述的一种基于振动信号的FPLG控制策略仿真模型构建方法，其特征是，所述激励仿真模型构建具体包括：电磁力仿真，用于模拟直线电机在运行过程中产生的电磁力；摩擦力仿真，用于模拟FPLG系统运行过程中的摩擦，主要包含三部分，左右两气缸的活塞环和气缸壁的摩擦力以及电机运动消耗的摩擦力；基于缸内压力的变化取决于内燃机燃烧、传热、压缩、换气、漏气，建立缸...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐娟，程勇，吕宏，马宗正，马翠英，
申请(专利权)人：山东休普动力科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：