汽车工业的发展和汽车保有量的增加以及石油资源的枯竭和环境的污染对传统汽车工业提出了严峻的挑战,遵循能源发展形势及能源发展战略,研发和使用节能减排的新能源汽车已经成为解决能源和环境问题的必由之路。混合动力汽车作为纯电动汽车研发过程中的一种面向市场的车型,成为当代汽车发展的热点。自由活塞内燃发电机(Free Piston Engine Generator,FPEG)作为混合动力汽车新型辅助动力源,具有体积小、重量轻、结构简单、容易维修等优点。由于FPEG取消传统发动机曲轴机构,活塞的运动不受曲轴机构约束,系统能够实现可变压缩比功能,提高了燃油经济性和对适用燃料的范围。然而FPEG并没有广泛的应用于实车,其中关键问题之一是缺乏可靠的活塞运动控制系统,本文针对自由活塞内燃发电机活塞运动控制问题进行研究。为此,本文首先对自由活塞内燃发电机的工作机理进行分析,根据其工作机理,在高级工程建模仿真平台AMESim环境下搭建自由活塞内燃发电机仿真模型,通过对FPEG仿真模型基本运动规律分析,从功能上验证了模型的合理性,并基于此模型,对FPEG的动力学特性进行分析,确定了能够影响FPEG活塞运动的控制量,为活塞运动控制器的设计奠定了基础。然后,将FPEG的活塞运动控制问题描述为压缩间隙的跟踪控制。基于能量守恒,建立了系统面向控制的简化模型,提出了基于LQR的活塞运动控制方法,通过调节循环喷油量来控制FPEG活塞压缩间隙位置。通过AMESim与Matlab联合仿真,对控制方案进行了仿真验证,验证了所提出的控制系统能够获得很好的活塞位置跟踪性能。但是在负载变化时,该控制系统不能保证活塞运动瞬态波动满足安全约束。最后,针对活塞运动瞬态波动超出安全约束的问题,在不改变LQR活塞运动控制框架的情况,提出了基于Reference Governor方法的活塞运动控制方案来处理约束。考虑到系统未来状态无法显式表达,利用牛顿迭代法预测系统输出序列。通过AMESim与Matlab联合仿真对Reference Governor控制系统的控制效果进行仿真验证,验证了Reference Governor和LQR可以协调工作,在保证活塞运动波动满足安全约束的基础上,系统具有较好的活塞位置跟踪性能。本文为自由活塞运动控制系统的设计提供一些思路,但是还有一些工作需要进一步进行。在实际系统中,活塞当前的运动位置不容易获取,需要对活塞的运动位置进行估计,此外,本文并未对自由活塞内燃发电机的启动过程进行分析,未来需要对FPEG的启动控制进行研究。