[发明专利]一种自由活塞式斯特林发电机的仿真控制方法

权利要求书

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；其中斯特林原动机模型的热力学方程表达式如下：

dW＝∑p_ndV_n

dQ_h＝-V_edp+V_csdp-dQ_k

其中：m_n为任一工作腔内的工质质量，p_n为任一工作腔内的工质压强，V_n为任一工作腔的体积，dV_n为体积V_n的变化率，R_gas为工作腔内的工质气体常数，T_n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，m_work为所有工作腔内的工质总质量，V_e为膨胀腔的体积，dV_e为体积V_e的变化率，V_h为加热器的体积，V_r为回热器的体积，V_k为冷却器的体积，V_cs为压缩腔的体积，dV_cs为体积V_cs的变化率，T_h为加热器的工质温度，T_r为回热器的工质温度，T_k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，dQ_k为斯特林原动机的冷端传热率，dQ_h为斯特林原动机的热端传热率，c_p为工质的等压热容，c_v为工质的等容热容，T_h为斯特林原动机的热端工质温度，T_k为斯特林原动机的冷端工质温度，T_wh为斯特林原动机的热端壁面温度，T_wk为斯特林原动机的冷端壁面温度，h_h为斯特林原动机的热端传热系数，h_k为斯特林原动机的冷端传热系数，A_wh为斯特林原动机的热端壁面面积，A_wk为斯特林原动机的冷端壁面面积，NTU_r为回热器的传热单元数，A_wr为回热器的壁面面积，A_r为回热器的截面积，h_r为回热器的传热系数；

斯特林原动机模型的流体力学方程表达式如下：

p_e＝p_cs+Δp_k+Δp_r+Δp_h

其中：ρ_n为任一工作腔内的工质密度，m_n为任一工作腔内的工质质量，V_n为任一工作腔的体积，u_n为任一工作腔内的工质流速，dm_n为工质质量m_n的变化率，A_n为任一工作腔的截面积，F_n为任一工作腔内的工质摩擦力，fr_n为任一工作腔的摩擦系数，d_hn为任一工作腔的特征长度，K_n为任一工作腔的损耗系数，L_hxn为任一工作腔的换热长度，Δp_n为任一工作腔内的工质压降，A_hxn为任一工作腔的横截面流动面积，p_e为膨胀腔的工质压强，p_cs为压缩腔的工质压强，Δp_k为冷却器的工质压降，Δp_r为回热器的工质压降，Δp_h为加热器的工质压降；

(2)建立永磁直线同步发电机模型；

(3)建立控制系统模型，其包括冲程环、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比较，进而对输出电压偏差进行比例积分调节，其结果作为输入电流幅值，将该幅值乘以控制电路输入电压相位的正弦值，即得到输入电流参考值；所述电流环使控制电路输入电流实际值与输入电流参考值进行比较，进而对输出电流偏差进行比例谐振调节，生成控制电路输入电感的电压参考值；最后，使永磁直线同步发电机的感应电动势E与输入电感电压参考值的差值作为输入电压参考值，进而对该输入电压参考值进行PWM调制生成一组PWM信号用以对控制电路中的功率开关器件进行控制；

(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进行联合仿真以得到其控制效果与能量流动情况；具体地，以吸热-放热为一单位周期，通过以下方程计算加热器和冷却器的单位周期平均传热率：

P_i＝dQ_kmean+dQ_hmean+dQ_bmeanP_o2＝U_dc I_o

其中：t₁和t₂分别为传热率正负交替的时刻，t表示时刻，dQ_kmean和dQ_hmean分别为加热器和冷却器的单位周期平均传热率，dQ_bmean为弹簧腔的单位周期平均功率，dQ_k为斯特林原动机的冷端传热率，dQ_h为斯特林原动机的热端传热率，V_b为弹簧腔的体积，P_b为弹簧腔的工质压强，P_i为斯特林原动机的输入热功率，P_o1为斯特林原动机的输出电功率，P_o2为永磁直线同步发电机的输出电功率，E为永磁直线同步发电机的感应电动势，I_i为控制电路的输入电流，I_o为控制电路的输出电流，U_dc为控制电路的直流电压，η_e为控制电路的电效率，η_te为斯特林原动机的热电转换效率。