CN116384139A - 考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法 - Google Patents

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CN116384139A CN202310398046.2A CN202310398046A CN116384139A CN 116384139 A CN116384139 A CN 116384139A CN 202310398046 A CN202310398046 A CN 202310398046A CN 116384139 A CN116384139 A CN 116384139A
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Abstract

本发明涉及一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，属于液压开关变换系统领域。本发明方法步骤为：1）建立液压开关变换系统元件的输入输出关系；2）系统拓扑集总参数等效；3）系统处理为无开关元件的、结构不变的单一拓扑形式，并保留节流和切换非线性特性；4）建立系统非线性静态模型和与静态工作点相关的邻域线性动态模型。本方法能够通过解析式在系统不同参数配置和不同输入下反映系统输出，求解速度快。明确了系统参数对输出的影响规律，缩小了参数调节范围，给出了系统动态响应的优化目标函数，可应用解决液压开关变换系统多工况下输出评估、参数配置困难的问题。对液压开关变换系统的设计和优化提供指导。

Description

考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法
技术领域
本发明涉及液压开关变换系统(数字液压)领域，具体涉及一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法。
背景技术
电液比例和伺服技术的突破，使得液压系统通过阀对流体的操控获得了快速响应、精确控制的能力。但阀控属于阻抗控制，存在能量耗散，效率较低。相对于阻抗控制，电力电子领域广泛应用着一种更高效的切换控制概念。切换控制以拓扑的改变取代阀门开度控制，理论上具有100％的能量转换效率，这为液压技术提供了一个全新思路。
液压开关变换系统即是切换控制的直接类比，由开关元件和储能元件组成。储能元件分为液感元件和液容元件，分别实现在液压能与动能及势能之间的转换。系统利用开关阀通断完成拓扑切换，通过控制切换时间改变储能元件的充、放能时间，从而实现对液压能的变换和控制。由于在根本上改变了依赖于耗散能量的阀控方式，是高效液压驱动装置的潜在替代，在高效液压驱动和一源多驱领域有广阔的应用前景。然而由于液压开关变换系统同时包含节流和切换非线性，对系统的建模存在困难，导致很难准确估计实际系统的输出。液压元件参数众多，切换控制运行机理复杂，缺乏合适模型也很难调节参数实现理想的静动态输出特性。这导致在多工况的实际应用中，对现有系统的输出预测，对能实现优良输出的系统元件、回路结构优化和参数选取都很有难度。在已公开的建模方法中，以Manhartsgruber为代表的时频域数值迭代(TFDI)方法，以Negri和Wang为代表的微分方程联立求解方法和以Rannow为代表的采用电力电子针对切换非线性建模的结论都建立了液压开关变换系统的模型，分别对液压开关变换系统不同拓扑在一定条件下的输出作出了评估，具有一定的准确性。但仍存在一些不足或其他局限，主要表现为：
(1)数值迭代(TFDI)方法求解速度慢，需要大量运算和规律总结才能得出实际系统在不同工况下的输出表现。对系统参数优化则需要借助智能算法在大批量的参数下择优，耗时且复杂。
(2)求解微分方程推导解析模型的方法计算过程复杂，为了保证微分方程可解还需要忽略两个储能元件产生的高阶行为，使得建立的模型对实际系统预测的准确性不够。
(3)求解微分方程或直接引用电力电子状态空间平均的结论处理切换非线性时，无法考虑系统中开关元件的节流非线性特点，导致推导的模型在系统低功率输入或负载波动大时准确度差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，该方法能够在多工况下准确评估液压开关变换系统输出，能给出优化目标函数，实现动静态输出的参数最优配置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，所述液压开关变换系统包括储能元件、开关元件、液压管路和输出端负载；所述储能元件包括液容元件、液感元件，所述液容元件包括蓄能器、油腔，所述液感元件包括惯性管、液压马达，所述开关元件包括开关阀、单向阀，将开关阀、单向阀和液感元件之间的液压管路形成的容纳油液的体积描述为切换体积，所述输出端负载包括节流阀；所述液压开关变换系统包括升压拓扑、降压拓扑和升降压拓扑，液压开关变换系统中开关元件的功能使得开关阀所在液压管路和单向阀所在液压管路间断、交替流通，称为拓扑交替形式，将交替流通的支路描述为液压开关变换系统中的切换支路，将切换支路相交的节点描述为切换节点；所述液压开关变换系统解析建模方法包括以下步骤：
步骤S1、建立液压开关变换系统元件的输入输出关系，并基于集总参数思路等效；
步骤S2、基于集总参数思路等效的元件，将液压开关变换系统集总参数化为等效拓扑；
步骤S3、在保留液压开关变换系统节流和切换非线性特征的前提下，将液压开关变换系统由开关元件切换导致的拓扑交替形式处理为无开关元件的、结构不变的单一拓扑形式；
步骤S4、建立液压开关变换系统非线性静态模型和与静态点相关的邻域线性动态模型。
在本发明一实施例中，对于开关元件之外的元件，集总参数等效的方法为，将元件传递函数的积分、微分、比例环节分别定义为元件自身的液容部分、液感部分和线性液阻部分，各部分的串并联关系遵循传递函数；集总参数等效输入输出呈非线性关系的开关元件、节流阀的方法为，将非线性等式中的常数项定义为非线性液阻部分R：
Figure BDA0004178384150000021
式中，qorifice为开关元件、节流阀的节流流量，Cd为流量系数，A为开关元件、节流阀的等效通流面积，ρ为通流油液密度，Δporifice为开关元件、节流阀通流压降。
在本发明一实施例中，对降压拓扑集总参数等效的方法为，考虑降压拓扑中的液容元件、液感元件、开关元件和输出端负载，将各部分集总参数化并连接；对升压拓扑、升降压拓扑集总参数等效的方法为，考虑升压、升降压拓扑中的液容元件、液感元件、开关元件、输出端负载和切换体积，将各部分集总参数化并连接。
在本发明一实施例中，液压开关变换系统变量包括状态变量、输入变量；在对液压开关变换系统单一拓扑形式处理之前，需要对液压开关变换系统变量做出如下假设：1)认为液压开关变换系统储能元件的储能能力能够使液压开关变换系统状态变量纹波远小于其平均值；2)外界的扰动远小于液压开关变换系统输入变量自身的平均值；对液压开关变换系统各变量在一个开关周期求均值，代替各自在一个周期内的时变值，均值是液压开关变换系统变量静态部分和动态波动部分和：
Figure BDA0004178384150000031
式中，x(t)是液压开关变换系统变量，
Figure BDA0004178384150000032
是变量在一个开关周期TS中的均值，X是变量静态部分，/>
Figure BDA0004178384150000033
是变量动态波动部分。
在本发明一实施例中，将液压开关变换系统由拓扑交替形式处理为无开关元件的、结构不变的单一拓扑形式的方法为：将液压开关变换系统中因为拓扑切换而呈阶跃信号的变量处理为连续变量，包括切换支路的流量qbran(t)和切换节点处的流体压力pnode(t)。
在本发明一实施例中，在降压拓扑中，若切换支路的流量qbran(t)在开关阀导通时截止，在开关阀关断时通流，流量qbran(t)为：
Figure BDA0004178384150000034
则将分段流量qbran(t)处理为连续变量
Figure BDA0004178384150000035
的方法为：
Figure BDA0004178384150000036
式中，d(t)为开关阀导通时间占开关周期的比例，d'(t)＝1-d(t)为开关阀关断时间占开关周期的比例，
Figure BDA0004178384150000037
为降压拓扑中输送到切换支路的流量变量。
在本发明一实施例中，处理升压拓扑和升降压拓扑切换支路的分段流量qbran(t)为连续变量
Figure BDA0004178384150000038
时，需要增加考虑切换体积的分流流量qsv(t)的影响；对所述分流流量qsv(t)进行处理：
步骤S01、将分流流量qsv(t)分别在开关阀导通和关断时的分流平均化：
Figure BDA0004178384150000041
步骤S02、得出切换支路的分段流量qbran(t)为：
Figure BDA0004178384150000042
式中，d(t)为开关阀导通时间占开关周期的比例，d'(t)＝1-d(t)为开关阀关断时间占开关周期的比例，Csv为切换体积液容部分，<qsv>为切换体积在开关元件导通或关断状态的平均分流结果，ptar为切换体积中油液能达到的最高压力，
Figure BDA0004178384150000043
为升压拓扑、升降压拓扑中输送到切换支路的流量变量。
在本发明一实施例中，处理切换节点处的分段流体压力pnode(t)时，需考虑切换支路中所有集总参数部分的压降Δp(t)，包括三种情形：(1)恒定压降部分p或压力值为状态变量的节点pi(t)；(2)线性液阻部分；(3)非线性液阻部分；
情形(1)的处理方法为：
Figure BDA0004178384150000044
Figure BDA0004178384150000045
情形(2)的处理方法为：
Figure BDA0004178384150000051
情形(3)的处理方法为：
Figure BDA0004178384150000052
式中，d(t)为开关阀导通时间占开关周期的比例，
Figure BDA0004178384150000053
为降压拓扑、升压拓扑、升降压拓扑中输送到切换支路的流量变量，R为非线性液阻部分。
在本发明一实施例中，液压开关变换系统非线性静态模型建立方法为：忽略液压开关变换系统变量均值中的动态波动部分，只保留均值中的静态部分，根据处理后的单一拓扑建立变量静态值之间的关系。
在本发明一实施例中，液压开关变换系统动态模型的建立方法为：将液压开关变换系统变量均值分解为动态波动部分和静态部分之和，并代入静态模型中，得到与变量静态工作点相关的非线性动态模型，忽略高阶动态项，并对非线性动态项在其静态点邻域展开，得到与液压开关变换系统变量静态值邻域的线性动态模型。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明解决了数值迭代方法求解速度慢且参数优化困难的问题。所提方法能够给出液压开关变换系统静态和动态行为的解析表达式，在系统不同参数配置和不同输入下通过表达式反映系统输出规律，求解速度快。在系统参数优化时，明确了系统参数对输出的影响规律，缩小了参数调节范围，也给出了系统动态响应的优化目标：阻尼比函数和固有频率函数。
(2)本发明解决了求解微分方程方法运算复杂且模型不准确的问题。所提方法基于系统状态变量在一个周期内的平均行为来推导模型，放弃了基于时间轴的微分方程求导方法，只要进行代数运算，也能考虑多个储能元件的高阶微分。
(3)本发明解决了模型在系统低功率输入或负载波动大时准确度差的问题。所提方法基于电力电子状态空间平均的基本理论，推导了考虑液压节流非线性时对开关切换导致的分段压降变量的处理方法，推导的模型同时包含了节流非线性和开关非线性特点，经验证可在大工况范围内准确估计系统行为。
附图说明
图1为本发明实施例的液压开关变换系统各基本拓扑结构。
图2为本发明实施例的流程图。
图3为本发明实施例的具体实施流程示意图。
图4为本发明实施例液压开关变换系统单一拓扑形式示意图。
图5为本发明实施例的方法对液压开关变换系统在不同占空比工况下的输出评估结果。
图6为本实施例中该方法对液压开关升压系统动态响应的参数优化效果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
图1为本发明实施例的液压开关变换系统各基本拓扑结构。图1(a)为液压开关变换系统降压拓扑，图1(b)为液压开关变换系统升压拓扑，图1(c)为液压开关变换系统升降压拓扑。液压开关变换系统的组成包括：储能元件、开关元件、切换体积、液压管路和输出端负载；所述储能元件包括液容元件、液感元件，所述液容元件包括蓄能器、油腔，所述液感元件包括惯性管、液压马达，所述开关元件包括开关阀、单向阀，所述切换体积为开关阀、单向阀和液感元件之间的液压管路形成的容纳油液的体积，所述输出端负载包括节流阀；所述液压开关变换系统包括升压拓扑、降压拓扑和升降压拓扑；液压开关变换系统中开关元件的功能使得开关阀所在液压管路和单向阀所在液压管路间断、交替流通，称系统为拓扑交替形式，将交替流通的支路描述为系统中的切换支路，并将切换支路相交的节点描述为切换节点；
如图2和图3所述，本实施例提供了一种包含节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模的方法，包括以下步骤：
步骤S1、建立液压开关变换系统元件的输入输出关系，并基于集总参数思路等效；
步骤S2、基于集总参数等效的元件，将液压开关变换系统集总参数化为等效拓扑；
步骤S3、在保留液压开关变换系统节流和切换非线性特征的前提下，将系统由开关元件切换导致的拓扑交替形式处理为无开关元件的、结构不变的单一拓扑形式。
步骤S4、建立液压开关变换系统非线性静态模型和与静态点相关的邻域线性动态模型。
在步骤S1中，液压元件的输入输出分别为压降和流量，根据流量连续方程和力平衡方程可建立液压开关变换系统各元件压降和流量的关系。对于开关元件之外的元件，包括蓄能器、油腔、液压马达、惯性管、液压管路、切换体积，可以得到压降(压力)与流量的线性关系。Laplace变换后，得到输出关于输入的传递函数。将其中的积分、微分和比例环节分解，分别命名为液容部分、液感部分和线性液阻部分，基于集总参数理论可以将相应元件等效为液容部分、液感部分和线性液阻液阻的串/并联，各部分的串/并联关系遵循传递函数。以下以其中较为复杂的蓄能器元件为例，对其集总参数等效。
囊式蓄能器结构分为气体部分和机械部分。气体部分以刚度Ka作用于机械部分，以下推导气体刚度。认为蓄能器气体在工作过程中不与外界进行热交换，因而在某时刻，气体压力pa和体积Va遵循，
f(pa,Va)＝paVa n＝p0V0 n
式中，p0＝ppre+patm为蓄能器气体初始绝对压力；V0为蓄能器(初始气体)体积。在系统中蓄能器工作频率高于5Hz，则认为为绝热过程，因而取气体多变指数n＝1.4。则气体刚度Ka表现为工作点(pa0,Va0)的函数。为局部线性化，对二元函数(2-1)在邻域δ(pa0,Va0)一阶Taylor展开，
f(pa,Va)＝pa0Va0 n+Va0 n·dpa+npa0Va0 n-1·dVa
可得气体刚度，
Figure BDA0004178384150000071
机械部分中蓄能器机械部分的受力简化为油压经过气体弹簧、阻尼与动件质量之间的平衡，其方程为，
Figure BDA0004178384150000072
式中，M为蓄能器内部油液及隔膜等效质量，A为隔膜底部的油液作用面积，kB为粘滞阻力系数，kB＝Bb+Ca。Bb为液腔中油液阻尼系数，Ca为气囊中气体阻尼系数。x为蓄能器隔膜动件的等效位移。其中等效位移和净流量qc的关系如，
Figure BDA0004178384150000073
可得蓄能器输入、输出关系，
Figure BDA0004178384150000074
Laplace变换可得传递函数，
Figure BDA0004178384150000081
因而气囊式蓄能器可集总参数化为液容部分Cc、液感部分Lc和线性液阻部分Rc的串联。其他储能元件重复以上步骤，可集总参数化等效。
对于开关元件和输出端节流阀，包括开关阀、单向阀和节流阀，其压降和流量遵循非线性的小孔节流方程，则将非线性等式中的常数项定义为非线性液阻R：
Figure BDA0004178384150000082
式中，qorifice为开关元件、节流阀的节流流量，Cd为流量系数，A为开关元件、节流阀的等效通流面积，ρ为通流油液密度，Δporifice为开关元件、节流阀通流压降。因而开关元件和输出端节流阀可集总参数化为非线性液阻部分。
在步骤S2中，基于集总参数等效后的元件，集总参数等效液压开关变换系统时，降压拓扑考虑液容元件、液感元件、开关元件和输出端负载；升压、升降压拓扑考虑升压、升降压拓扑中的液容元件、液感元件、开关元件、输出端负载和切换体积。因而在升压、升降压拓扑中切换体积对系统的影响不可忽略。
在步骤S3中，处理系统切换拓扑之前，对系统的状态变量和输入变量做出假设。液压开关变换系统变量包括状态变量、输入变量，具体包括液感元件流量、系统输出端压力、系统输入端压力、开关元件占空比。假设如下：1)认为系统储能元件的储能能力可以使系统状态变量纹波远小于其平均值；2)外界的扰动远小于系统输入变量自身的平均值。进一步，对系统各变量在一个开关周期求均值，用以代替各自在一个周期内的时变值，均值是系统变量静态部分和动态波动部分和：
Figure BDA0004178384150000083
式中，x(t)是系统变量，
Figure BDA0004178384150000084
是变量在一个开关周期TS中的均值，X是变量静态值，/>
Figure BDA0004178384150000085
是变量动态波动。
基于变量均值后的液压开关变换系统，为了在保留液压开关变换系统节流和切换非线性特征的前提下，将系统由开关元件切换导致的拓扑交替形式处理为无开关元件的、结构不变的单一拓扑形式，需要处理开关切换导致的两种分段变量，包括切换支路的流量qbran(t)和切换节点处的流体压力pnode(t)。首先处理分段流量qbran(t)。
对于图1(a)降压拓扑，开关元件切换导致了开关阀支路和单向阀支路的流量是阶跃信号，
Figure BDA0004178384150000091
式中，qswitch(t)为开关阀流量，qcheck(t)为单向阀流量，
Figure BDA0004178384150000092
为液感元件流量。d(t)为开关阀导通时间占开关周期的比例，d'(t)＝1-d(t)为开关阀关断时间占开关周期的比例。将这两条支路分段流量处理为连续变量/>
Figure BDA0004178384150000093
Figure BDA0004178384150000094
Figure BDA0004178384150000095
式中，
Figure BDA0004178384150000096
为开关阀支路分段流量qswitch(t)处理后的连续流量；
Figure BDA0004178384150000097
为单向阀支路分段流量qcheck(t)处理后的连续流量。
对于图1(b)升压拓扑，开关元件切换同样导致了开关阀支路和单向阀支路的流量是阶跃信号，但在处理分段流量时，还需要增加考虑切换体积的分流流量qsv(t)。首先，将该流量分别在开关阀开启和关闭状态的分流平均化，
Figure BDA0004178384150000098
式中，Csv为切换体积液容部分，额外液容元件充能的最大压力为系统输出端压力pload。然后，将分流流量<qsv>考虑到升压拓扑分段流量qbran(t)的处理中，
Figure BDA0004178384150000101
式中，
Figure BDA0004178384150000102
为开关阀支路分段流量qswitch(t)处理后的连续流量；
Figure BDA0004178384150000103
为单向阀支路分段流量qcheck(t)处理后的连续流量。
对于图1(c)升降压拓扑同升压拓扑是相同情形，连续处理得如下，
Figure BDA0004178384150000104
式中，
Figure BDA0004178384150000105
为开关阀支路分段流量qswitch(t)处理后的连续流量；
Figure BDA0004178384150000106
为单向阀支路分段流量qcheck(t)处理后的连续流量。
在步骤S3中，在保留液压开关变换系统节流和切换非线性特征的前提下，将系统由开关元件切换导致的拓扑交替形式处理为无开关元件的、结构不变的单一拓扑形式时，处理了切换支路分段流量qbran(t)之后，还需要处理切换节点处的分段流体压力pnode(t)。处理时需考虑切换支路中所有元件的压降Δp(t)，包括三种情形：(1)恒定压降部分p或压力值为状态变量的节点pi(t)；(2)线性液阻部分；(3)非线性液阻部分。
在图1液压开关变换系统中，情形(1)包括单向阀导通压降pcr，状态变量prail(t)、pload(t)对切换节点pnode(t)的压力贡献。由于开关切换，情形(1)对pnode(t)的压力贡献是分段变量，对其连续化为：
Figure BDA0004178384150000111
Figure BDA0004178384150000112
式中，Δp(t)为系统拓扑中情形1)部分对切换节点的压降贡献，为分段变量；
Figure BDA0004178384150000113
为连续化结果。
情形(2)包括液感元件的线性液阻Rm部分，连接管路的线性液阻Rt部分。对其连续化为：
Figure BDA0004178384150000114
式中，
Figure BDA0004178384150000115
为相应分段支路的连续化流量结果，/>
Figure BDA0004178384150000116
为情形(2)对切换节点的压降贡献的连续化结果。
情形(3)包括开关元件非线性液阻Rs、Rch部分，和输出端节流阀非线性液阻R部分。对其连续化为：
Figure BDA0004178384150000117
式中，
Figure BDA0004178384150000118
为相应分段支路的连续化流量结果，d(t)为相应支路的导通阶段，/>
Figure BDA0004178384150000119
为情形(3)对切换节点的压降贡献的连续化结果。
将切换节点后端两条支路的分段流量qbran(t)和分段流体压力pnode(t)连续化后，液压开关变换系统由开关切换导致的拓扑交替形式处理为无开关元件的、结构不变的单一拓扑形式。
图4为本发明实施例液压开关变换系统单一拓扑形式示意图。
在步骤S4中，根据液压开关变换系统单一拓扑形式，降压拓扑的状态变量方程可建立为，
Figure BDA00041783841500001110
式中，
Figure BDA0004178384150000121
升压拓扑的状态变量方程可建立为，
Figure BDA0004178384150000122
式中，
Figure BDA0004178384150000123
升降压拓扑的状态变量方程可建立为，
Figure BDA0004178384150000124
式中，
Figure BDA0004178384150000125
视状态变量为静态值，上式即为液压开关变换系统的静态模型，给出了系统各状态变量静态值之间的关系。以升压拓扑为例，其推导后的静态模型为，
Figure BDA0004178384150000126
式中，
Figure BDA0004178384150000131
将状态变量写为静态值与小纹波动态分量的和，
Figure BDA0004178384150000132
代入系统状态变量方程。忽略静态变量乘积项，例如PloadD等。忽略高阶动态项，例如
Figure BDA0004178384150000133
等。对非线性项/>
Figure BDA0004178384150000134
和/>
Figure BDA0004178384150000135
在各自的静态点线性展开，
Figure BDA0004178384150000136
化简可得液压开关变换系统与状态变量静态值相关的线性动态模型。以升压拓扑为例，
Figure BDA0004178384150000137
Figure BDA0004178384150000138
由线性动态模型可得液压开关变换系统与状态变量静态值相关的动态响应指标，
Figure BDA0004178384150000141
式中，
Figure BDA0004178384150000142
本发明提供的考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，同时考虑了液压开关变换系统节流和切换非线性性质，可应用于系统在多工况下输出的快速、准确评估。该方法明确了系统参数对输出的影响规律，缩小了参数调节范围，也给出了系统动态响应的优化目标函数阻尼比和固有频率，可应用于系统多工况下的参数优化。
在对本实施例的验证中，液压开关变换系统各元件的参数选取如下：
Figure BDA0004178384150000143
图5为本实施例中该方法对液压开关变换系统在不同占空比工况下的输出评估效果。图5(a)为对降压拓扑的输出估计，图5(b)为对升压拓扑的输出估计，图5(c)为对升降压拓扑的输出估计。可知，在开关元件不同占空比的工况下，液压开关变换系统不考虑开关元件节流非线性的模型计算结果与相应拓扑的准确数值模拟结果存在较大偏差，按照本方法考虑系统开关元件节流非线性，可准确估计系统输出。
图6为本实施例中该方法对液压开关升压系统动态响应的参数优化效果。储能元件液容部分参数Cc和液感部分参数Lm会影响液压开关变换系统输出压力的动态响应过程。图6(a)为不合适的参数导致系统输出振荡严重，系统对输入压力的调节精度差。图6(b)为动态模型中的阻尼比目标函数对参数Cc、Lm的优化效果。图6(b)中经验调节参数Cc、Lm需要大量尝试寻优，否则很难找到最优参数配比。系统虽然输出精度提高，但动态响应缓慢。按照本方法提供的阻尼比函数优化，可以迅速找到合适的参数配置，使系统达到更优的动态输出。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，所述液压开关变换系统包括储能元件、开关元件、液压管路和输出端负载；所述储能元件包括液容元件、液感元件，所述液容元件包括蓄能器、油腔，所述液感元件包括惯性管、液压马达，所述开关元件包括开关阀、单向阀，将开关阀、单向阀和液感元件之间的液压管路形成的容纳油液的体积描述为切换体积，所述输出端负载包括节流阀；所述液压开关变换系统包括升压拓扑、降压拓扑和升降压拓扑，液压开关变换系统中开关元件的功能使得开关阀所在液压管路和单向阀所在液压管路间断、交替流通，称为拓扑交替形式，将交替流通的支路描述为液压开关变换系统中的切换支路，将切换支路相交的节点描述为切换节点；其特征在于，所述液压开关变换系统解析建模方法包括以下步骤：
步骤S1、建立液压开关变换系统元件的输入输出关系，并基于集总参数思路等效；
步骤S2、基于集总参数思路等效的元件，将液压开关变换系统集总参数化为等效拓扑；
步骤S3、在保留液压开关变换系统节流和切换非线性特征的前提下，将液压开关变换系统由开关元件切换导致的拓扑交替形式处理为无开关元件的、结构不变的单一拓扑形式；
步骤S4、建立液压开关变换系统非线性静态模型和与静态点相关的邻域线性动态模型。
2.根据权利要求1所述的一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，其特征在于，对于开关元件之外的元件，集总参数等效的方法为，将元件传递函数的积分、微分、比例环节分别定义为元件自身的液容部分、液感部分和线性液阻部分，各部分的串并联关系遵循传递函数；集总参数等效输入输出呈非线性关系的开关元件、节流阀的方法为，将非线性等式中的常数项定义为非线性液阻部分R：
Figure FDA0004178384140000011
式中，qorifice为开关元件、节流阀的节流流量，Cd为流量系数，A为开关元件、节流阀的等效通流面积，ρ为通流油液密度，Δporifice为开关元件、节流阀通流压降。
3.根据权利要求1所述的一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，其特征在于，对降压拓扑集总参数等效的方法为，考虑降压拓扑中的液容元件、液感元件、开关元件和输出端负载，将各部分集总参数化并连接；对升压拓扑、升降压拓扑集总参数等效的方法为，考虑升压、升降压拓扑中的液容元件、液感元件、开关元件、输出端负载和切换体积，将各部分集总参数化并连接。
4.根据权利要求1所述的一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，其特征在于，液压开关变换系统变量包括状态变量、输入变量；在对液压开关变换系统单一拓扑形式处理之前，需要对液压开关变换系统变量做出如下假设：1)认为液压开关变换系统储能元件的储能能力能够使液压开关变换系统状态变量纹波远小于其平均值；2)外界的扰动远小于液压开关变换系统输入变量自身的平均值；对液压开关变换系统各变量在一个开关周期求均值，代替各自在一个周期内的时变值，均值是液压开关变换系统变量静态部分和动态波动部分和：
Figure FDA0004178384140000021
式中，x(t)是液压开关变换系统变量，
Figure FDA0004178384140000022
是变量在一个开关周期TS中的均值，X是变量静态部分，/>
Figure FDA0004178384140000023
是变量动态波动部分。
5.根据权利要求4所述的一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，其特征在于，将液压开关变换系统由拓扑交替形式处理为无开关元件的、结构不变的单一拓扑形式的方法为：将液压开关变换系统中因为拓扑切换而呈阶跃信号的变量处理为连续变量，包括切换支路的流量qbran(t)和切换节点处的流体压力pnode(t)。
6.根据权利要求5所述的一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，其特征在于，在降压拓扑中，若切换支路的流量qbran(t)在开关阀导通时截止，在开关阀关断时通流，流量qbran(t)为：
Figure FDA0004178384140000024
则将分段流量qbran(t)处理为连续变量qbran(t)TS的方法为：
Figure FDA0004178384140000025
式中，d(t)为开关阀导通时间占开关周期的比例，d'(t)＝1-d(t)为开关阀关断时间占开关周期的比例，
Figure FDA0004178384140000026
为降压拓扑中输送到切换支路的流量变量。
7.根据权利要求5所述的一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，其特征在于，处理升压拓扑和升降压拓扑切换支路的分段流量qbran(t)为连续变量
Figure FDA0004178384140000027
时，需要增加考虑切换体积的分流流量qsv(t)的影响；对所述分流流量qsv(t)进行处理：
步骤S01、将分流流量qsv(t)分别在开关阀导通和关断时的分流平均化：
Figure FDA0004178384140000031
步骤S02、得出切换支路的分段流量qbran(t)为：
Figure FDA0004178384140000032
式中，d(t)为开关阀导通时间占开关周期的比例，d'(t)＝1-d(t)为开关阀关断时间占开关周期的比例，Csv为切换体积液容部分，qsv为切换体积在开关元件导通或关断状态的平均分流结果，ptar为切换体积中油液能达到的最高压力，
Figure FDA0004178384140000033
为升压拓扑、升降压拓扑中输送到切换支路的流量变量。
8.根据权利要求5所述的一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，其特征在于，处理切换节点处的分段流体压力pnode(t)时，需考虑切换支路中所有集总参数部分的压降Δp(t)，包括三种情形：(1)恒定压降部分p或压力值为状态变量的节点pi(t)；(2)线性液阻部分；(3)非线性液阻部分；
情形(1)的处理方法为：
Figure FDA0004178384140000034
Figure FDA0004178384140000041
情形(2)的处理方法为：
Figure FDA0004178384140000042
情形(3)的处理方法为：
Figure FDA0004178384140000043
式中，d(t)为开关阀导通时间占开关周期的比例，
Figure FDA0004178384140000044
为降压拓扑、升压拓扑、升降压拓扑中输送到切换支路的流量变量，R为非线性液阻部分。
9.根据权利要求1至4任一所述的一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，其特征在于，液压开关变换系统非线性静态模型建立方法为：忽略液压开关变换系统变量均值中的动态波动部分，只保留均值中的静态部分，根据处理后的单一拓扑建立变量静态值之间的关系。
10.根据权利要求1至4任一所述的一种考虑节流和切换非线性的液压开关变换系统解析建模方法，其特征在于，液压开关变换系统动态模型的建立方法为：将液压开关变换系统变量均值分解为动态波动部分和静态部分之和，并代入静态模型中，得到与变量静态工作点相关的非线性动态模型，忽略高阶动态项，并对非线性动态项在其静态点邻域展开，得到与液压开关变换系统变量静态值邻域的线性动态模型。
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