Publicação: Revisão e proposta de estratégia de controle de movimento para um gerador linear a ímã permanente movido a pistão livre para regime permanente
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
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Autores
Orientador
Coorientador
Gomes, Luciano Coutinho
Resumo
Este trabalho investiga o controle do movimento em um gerador linear de pistão livre (Free-
Piston Linear Generator - FPLG), com o objetivo de regular a extração eletromagnética de
energia de modo a garantir operação estável dentro dos limites mecânicos e desempenho
adequado na geração de potência elétrica. Para isso, o sistema é modelado como um oscilador
massa–mola excitado pela combustão, no qual a força eletromagnética é representada por um
amortecimento equivalente proporcional à velocidade do pistão, considerando-se uma
arquitetura elétrica composta por retificação trifásica passiva seguida de conversor CC–CC do
tipo boost. Três estratégias de controle são desenvolvidas e avaliadas sob as mesmas condições
de modelagem e excitação: (i) controle proporcional–integral com detecção de pico do
deslocamento, (ii) controle baseado na energia mecânica do ciclo e (iii) controle preditivo não
linear (Nonlinear Model Predictive Control - NMPC), sendo a comparação realizada em termos
do curso do pistão, da estabilidade do regime oscilatório, do balanço energético e da potência
elétrica entregue à carga. Os resultados mostram que o controle PI com detecção de pico
apresenta bom desempenho em regime, porém com maior latência frente a perturbações; o
controle baseado na energia mecânica do ciclo permite regular a extração de energia ao longo
da oscilação, contribuindo para a contenção do deslocamento e para a robustez frente a
variações da combustão; e o NMPC permite tratar restrições operacionais de forma explícita,
ao custo de maior modulação do comando e menor uniformidade da potência elétrica na
arquitetura considerada. Conclui-se que as estratégias apresentam compromissos distintos entre
estabilidade mecânica, robustez e aproveitamento energético, fornecendo uma base
comparativa para o projeto de controladores aplicados a FPLGs.
Abstract
This work investigates motion control in a free-piston linear generator (FPLG), with the
objective of regulating electromagnetic energy extraction in order to ensure stable operation
within mechanical limits and adequate performance in electrical power generation. For this
purpose, the system is modeled as a combustion-excited mass–spring oscillator in which the
electromagnetic force is represented as an equivalent damping proportional to the piston
velocity, considering an electrical architecture composed of passive three-phase rectification
followed by a DC–DC boost converter. Three control strategies are developed and evaluated
under the same modeling and excitation conditions: (i) proportional–integral control with peak
displacement detection, (ii) control based on the mechanical energy of the cycle, and (iii)
nonlinear model predictive control (NMPC). The comparison is carried out in terms of piston
stroke, oscillatory regime stability, energy balance, and DC power delivered to the load. The
results show that PI control with peak detection achieves good steady-state performance, but
with higher latency under disturbances; the mechanical-energy-based control regulates energy
extraction throughout the oscillation cycle, contributing to stroke containment and robustness
to combustion variations; and NMPC enables explicit handling of operational constraints, at the
cost of increased command modulation and lower uniformity of the electrical power in the
considered architecture. It is concluded that the strategies present different trade-offs between
mechanical stability, robustness, and energy utilization, providing a comparative basis for
controller design in FPLGs.
Palavras-chave
Gerador Linear de Pistão Livre, Controle de deslocamento, Amortecimento Eletromagnético, Controle Preditivo Não Linear, Controle Baseado em Energia, Retificação Passiva
Citação
SCOTTI, Thaís Matos. Revisão e proposta de estratégia de controle de movimento para um gerador linear a ímã permanente movido a pistão livre para regime permanente. 2026. 129 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) — Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI: 10.14393/ufu.di.2026.502.