以高压空气作为工作介质的高压气动系统因其独有的功率密度高、瞬间膨胀性大、爆发力强、温度适应范围广等特性而在航天航空、武器装备和气动汽车等领域中得到应用,但目前对高压气动系统的元件和控制系统进行系统、深入研究的却很少。高压或超高压压缩空气是气动汽车的动力源,从高压气源到低压尾气,是高压气体的能量转换和利用过程,是气动汽车将压力能转变成动能的过程。本文以国家自然科学基金—福特基金资助项目“气动汽车发动机探索性研究”为依托,以高压气动系统在气动汽车上的应用为背景,详细分析了高压气动系统的能量转换和利用特性,系统、深入地研究了高压气动系统的减压机理和控制方法,为气动汽车能量转换、利用和控制以及动力系统优化设计提供理论基础和实验数据,这对高压气动系统的发展具有重要的理论意义和工程实用价值。论文的主要内容如下: 第一章综述了气动技术和高压气动系统及元件的研究现状和发展趋势;阐述了研究和开发气动汽车的目的和意义;概括了本文的主要研究内容。 第二章对高压气动容积减压的新概念进行了定义;利用热力学的能分析法和(火用)分析法,推导出了对应节流减压和容积减压的能量特性方程和(火用)损失表达式,为减压过程中能量计算提供了有效工具;计算表明高压气动采用容积减压方式比节流减压方式有明显的节能效果。分析了定容充分吸热补偿分级减压和定压充分吸热补偿分级减压的能量特性;得出分级减压级数越多,能量利用率越高的结论。 第三章研究了高压气体容积减压系统的关键控制元件——高压大流量气动开关阀;详细介绍了高压大流量气动开关阀的结构设计特点和工作原理。提出对高压气动开关阀的开启和关闭操作过程进行动态研究的细分理论:以定容积过程和变容积过程为单元,以控制腔转折点气体压力为标志,将主阀开启和关闭过程细分为定容积、变容积和余隙容积三个不同的放气和充气过程,并对每一分过程单独建模,再通过标志点压力将整个过程联系成整体来进行研究。根据细分理论建立了反映高压气动开关阀的工作机理的数学模型和仿真模型,研究了高压大流量气动开关阀的动态特性;得出了主阀芯的几何参数是影响高压气动开关阀动态特性的主要因素。为高压气动开关阀的设计提供了理论和技术基础。 第四章详细介绍了高压气动容积减压系统的组成及工作原理;通过机理分析方法建立了高压气动容积减压系统的数学模型。仿真研究结果表明:Bang-Bang控制方法简单可靠,压力控制调节范围大;PID控制方法在一定压力控制范围内能够实现所需的控制精度;预测PID控制方法控制精度较高;Fuzzy控制方法具有和PID控制基本相同的控制效果,但比常规PID控制的应用范围要大。研究了高压气动分级减压方法,指出分级减压的末级输出压力稳定性比