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气动发动机是将压缩空气或液氮的压力能转化为机械能的动力装置，不消耗石油等化石燃料，可使汽车成为零排放的清洁交通工具。本文在预喷式数控气动发动机的设计方案基础之上，分析了该发动机的工作过程及效率影响因素。为实现对预喷式数控气动发动机转速操作的快速响应，本文提出了一种前馈-PID转速控制方法，并基于遗传算法对PID控制参数进行了优化。为此本文主要做了以下几个方面的研究工作:
首先，基于预喷式数控气动发动机的设计方案，阐述了该发动机的结构特点和工作原理，推导出预喷气缸、工作气缸的热力学-流量方程以及发动机本体的运动学和动力学方程，并基于MATLAB软件工具建立了该发动机的变参数动态仿真模型。
其次，以上述模型为基础通过数值仿真定量分析了结构参数对预喷式数控气动发动机的工作过程及效率影响因素，研究结果显示排气管电磁阀的有效流通面积是影响该气动发动机效率的关键因素，例如当排气管电磁阀的有效流通面积分别为7.854×10-5m2、1.5708×10-4m2和3.1416×10-4m2时，该发动机的效率分别为0.5758、0.7777和0.9022。
再次，为使预喷式数控气动发动机获得良好的动力性，为该发动机设计了前馈-PID复合控制器。根据预喷式数控气动发动机运行工况的动态仿真数据构造了该发动机在稳态工况下供气压力与平均转速、平均输出功率之间的函数关系，并以此函数关系作为前馈控制确定具体负荷与期望转速所对应的主供气压力;为加快对转速操作的响应速度，以滤波后的转速和期望转速之差为输入设计了PID控制器来确定微调供气压力。并以上述转速差平方的积分为优化目标函数，利用遗传算法对PID控制器的三个控制参数进行优化。经优化的前馈-PID复合控制器使预喷式数控气动发动机的响应速度较仅有前馈控制器时提高了46.9％～75％，说明前馈-PID复合控制器对期望转速操作具有良好的追踪性能。
本论文的研究结论说明了前馈-PID复合控制对预喷式数控气动发动机的转速操作有很好的稳定性，同时也为气动发动机的转速控制提供了理论参考，对于气动汽车在日常生活中的实际运用有着重要的现实意义。