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本書嘗試將磁懸浮旋轉(zhuǎn)支承與磁懸浮直線支承結(jié)合起來，以磁懸浮支承技術(shù)為研究對象，闡述磁懸浮智能支承的共同特征。本書主要闡述了磁懸浮支承的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀、磁懸浮智能支承的概念與內(nèi)涵、磁懸浮支承結(jié)構(gòu)的冗余與重構(gòu)、磁懸浮支承的智能控制算法等磁懸浮智能支承的基礎(chǔ)理論，介紹了常導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)磁懸浮列車、真空管道磁懸浮列車的工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，論述了磁懸浮電梯、磁懸浮導(dǎo)軌的應(yīng)用，還介紹了磁懸浮支承的減振隔振原理、方法與裝置。本書主要讀者為從事磁懸浮研究的相關(guān)科研工作人員和高等學(xué)校的教師、研究生等。本書也可以作為研究生的教材使用。

隨著磁懸浮技術(shù)的成熟，磁懸浮技術(shù)在旋轉(zhuǎn)支承和直線支承兩大應(yīng)用領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展。本書嘗試將磁懸浮旋轉(zhuǎn)支承（如磁懸浮軸承）和磁懸浮直線支承（如磁懸浮列車、磁懸浮導(dǎo)軌等）作為一個整體研究對象展開論述。工業(yè)4.0的到來，使智能制造的概念、理論、技術(shù)與方法迅猛發(fā)展，智能裝備日新月異。軸承作為裝備的核心部件，是高端裝備或智能裝備必須使用的核心部件。智能軸承技術(shù)是智能裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來，智能軸承技術(shù)得到快速發(fā)展。然而，直到目前為止，軸承的智能化主要停留在智能監(jiān)測層面，更進(jìn)一步的智能化需要在支承原理、支承方式等方面做較大的創(chuàng)新。磁懸浮支承的出現(xiàn)，特別是主動磁懸浮支承的出現(xiàn)，為智能支承的實現(xiàn)提供了一個*的機(jī)會。這是因為主動磁懸浮支承從原理上為實現(xiàn)支承的全面智能化提供了支撐。很多現(xiàn)有的主動磁懸浮軸承，只需要對控制系統(tǒng)裝載智能化算法，增加適當(dāng)硬件或進(jìn)行硬件改造，就能夠?qū)崿F(xiàn)磁懸浮軸承的智能化改裝。本書以磁懸浮軸承的智能化為出發(fā)點，從磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)、冗余、故障診斷與重構(gòu)、智能控制算法等磁懸浮智能軸承的基礎(chǔ)理論與方法方面展開論述，再以磁懸浮列車與磁懸浮電梯的應(yīng)用、磁懸浮振動的主動控制、磁懸浮微重力隔振平臺等典型應(yīng)用為例介紹磁懸浮直線支承。由于作者沒有在磁懸浮直線支承的智能化方面進(jìn)行研究，所以在磁懸浮列車與磁懸浮電梯的應(yīng)用方面僅限于介紹國內(nèi)外的研究成果，在磁懸浮振動的主動控制和磁懸浮微重力隔振平臺方面僅介紹我們自己的研究成果，沒有在智能化方面展開論述。將磁懸浮直線支承納入本書的范圍，旨在拋磚引玉，將磁懸浮支承技術(shù)的研究引向更深更廣的領(lǐng)域，特別是在智能支承方面，磁懸浮旋轉(zhuǎn)支承與磁懸浮直線支承有很多共同之處，可以相互借鑒、相互促進(jìn)、共同發(fā)展，把磁懸浮智能支承技術(shù)推向更高的層次、更廣的范圍，為磁懸浮支承技術(shù)的智能化、磁懸浮智能軸承的產(chǎn)業(yè)化奠定堅實的理論基礎(chǔ)，為磁懸浮列車的智能化提供技術(shù)支持，為高端裝備的智能化提供借鑒。本書具體內(nèi)容如下：磁懸浮智能支承前言第1章簡要介紹了包括磁懸浮軸承與磁懸浮列車在內(nèi)的磁懸浮支承技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，論述了磁懸浮軸承的分類及其特點，介紹了智能支承的發(fā)展趨勢，提出了具有4S特征的智能支承概念，闡述了磁懸浮智能支承的具體內(nèi)容。第2章主要從完全約束磁懸浮支承系統(tǒng)與非完全約束磁懸浮支承系統(tǒng)，磁懸浮支承的冗余設(shè)計與可靠性，弱耦合徑向、軸向磁懸浮支承等方面，闡述了磁懸浮支承的典型結(jié)構(gòu)形式特別是冗余結(jié)構(gòu)為磁懸浮支承的重構(gòu)與自愈提供了可能，這也是磁懸浮智能支承區(qū)別于其他支承*典型的結(jié)構(gòu)特征。第3章從磁懸浮軸承三維磁場分析、磁懸浮軸承支承參數(shù)的辨識等方面著重分析了磁懸浮軸承的支承特性。這是關(guān)于磁懸浮軸承*基礎(chǔ)的分析工作，也是磁懸浮智能支承*基礎(chǔ)的理論支撐。磁懸浮智能支承之所以能夠成為具有4S特征的智能支承，除了在結(jié)構(gòu)上具有冗余和在線重構(gòu)特征外，主要是因為它具有智能控制算法。第4章從磁懸浮控制系統(tǒng)的基本算法PD控制算法入手，介紹了PID控制，在此基礎(chǔ)上著重闡述了磁懸浮軸承模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制算法。磁懸浮智能支承的重要特征是具有自診斷與自愈功能。第5章從磁懸浮支承的故障診斷、容錯控制、冗余重構(gòu)等方面，闡述了磁懸浮支承在出現(xiàn)故障時，通過冗余的結(jié)構(gòu)或電路等，在線(自主)重新構(gòu)成新的懸浮控制系統(tǒng)，使磁懸浮支承的支承性能不退化，從而實現(xiàn)磁懸浮智能支承的自愈功能。第6章主要講述磁懸浮直線支承的應(yīng)用，介紹了常導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)磁懸浮列車及正在研究的真空管道磁懸浮列車的工作原理及其發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢；基于輪軌列車與磁懸浮列車的工作原理，闡述了磁懸浮列車的特點與優(yōu)勢。同時介紹了另外兩種磁懸浮直線支承的應(yīng)用，即磁懸浮電梯和磁懸浮導(dǎo)軌。第7章、第8章主要從磁懸浮支承的減振隔振作用出發(fā)，闡述了磁懸浮支承的兩種典型應(yīng)用，旨在在更大范圍內(nèi)向讀者介紹磁懸浮支承的廣泛應(yīng)用，為推動磁懸浮支承，特別是磁懸浮智能支承的應(yīng)用提供借鑒。本書是作者團(tuán)隊多年研究工作的總結(jié)，除了磁懸浮直線支承外，主要內(nèi)容是團(tuán)隊中老師與學(xué)生共同研究的結(jié)果。在此特別感謝吳華春教授、丁國平教授、張錦光教授、程鑫副教授、郭新華副教授、陳昌皓博士等的支持與幫助，本書部分內(nèi)容也包含他們的研究成果。本書內(nèi)容涉及作者團(tuán)隊主持或參與的多項國家自然科學(xué)基金項目的研究成果，也包含國家重點研發(fā)計劃的研究內(nèi)容。在此一并感謝這些項目的資助！作者2020年11月

胡業(yè)發(fā) 工學(xué)博士，武漢理工大學(xué)二級教授、博士生導(dǎo)師，機(jī)械工程專業(yè)責(zé)任教授，美國密歇根大學(xué)訪問學(xué)者。國際磁懸浮軸承學(xué)術(shù)委員會委員、全國磁懸浮技術(shù)專業(yè)委員會副主任委員、中國人工智能學(xué)會智能制造專業(yè)委員會常務(wù)委員、湖北省電工技術(shù)學(xué)會副理事長。主要研究領(lǐng)域：磁懸浮技術(shù)、復(fù)合材料設(shè)計、數(shù)字制造。主持國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目、中俄國際合作項目、湖北省自然科學(xué)基金重點類項目、湖北省科技創(chuàng)新項目重大專項和企業(yè)橫向項目等30余項。長期從事磁懸浮技術(shù)方面的研究。獲得湖北省科學(xué)技術(shù)獎（技術(shù)發(fā)明獎二等獎）1項；獲得國家發(fā)明專利授權(quán)16項；出版學(xué)術(shù)專著2部，教材1部；發(fā)表論文100多篇，其中80篇被SCI/EI/ISTP收錄。

王曉光工學(xué)博士，武漢理工大學(xué)教授。1982年畢業(yè)于華中工學(xué)院（今華中科技大學(xué)）機(jī)械系機(jī)械制造及其自動化專業(yè)；1982年至1989年在鐵道部大橋工程局橋梁機(jī)械廠工作，工程師；1989年至今在武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院從事教學(xué)與科研工作。主要研究領(lǐng)域：機(jī)械制造、機(jī)電一體化設(shè)備、磁懸浮技術(shù)及其應(yīng)用、工業(yè)工程。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊和會議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文60多篇；獲得國家發(fā)明專利授權(quán)20多項。參與磁懸浮轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵技術(shù)項目，獲2005年度湖北省科學(xué)技術(shù)獎（技術(shù)發(fā)明獎二等獎）。參與了《磁力軸承的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用》一書的編寫工作。

宋春生工學(xué)博士，武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。湖北省磁懸浮工程技術(shù)研究中心副主任，入選武漢市黃鶴英才計劃。主要研究領(lǐng)域：磁懸浮主動隔振技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等。在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊及會議上發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文40余篇，其中SCI收錄30余篇；參編專著1部；獲批軟件版權(quán)4項；申請國家專利30項，授權(quán)14項；主持國家自然科學(xué)基金項目3項，主持和承擔(dān)其他、省部級項目及軍工與企業(yè)項目20余項。兼任中國電子學(xué)會電子機(jī)械工程分會委員、中國機(jī)械行業(yè)卓越工程師教育聯(lián)盟智能制造專業(yè)委員會委員、全國材料新技術(shù)發(fā)展研究會屆理事會理事、湖北省電機(jī)工程學(xué)會理事、中國機(jī)械工程學(xué)會高級會員、中國電子學(xué)會高級會員。

第1章緒論/1

1.1磁懸浮支承的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀/3

1.2磁懸浮旋轉(zhuǎn)支承/9

1.2.1主動磁懸浮軸承/9

1.2.2被動磁懸浮軸承/10

1.2.3超導(dǎo)磁懸浮軸承/11

1.2.4混合磁懸浮軸承/14

1.3磁懸浮軸承的特點/18

1.4智能支承/19

1.4.1軸承智能化的研究及其發(fā)展現(xiàn)狀/20

1.4.2磁懸浮智能支承/23

1.5本章小結(jié)/25

本章參考文獻(xiàn)/25

第2章磁懸浮智能支承的結(jié)構(gòu)/28

2.1磁懸浮支承原理/28

2.1.1完全約束磁懸浮支承系統(tǒng)/28

2.1.2非完全約束磁懸浮支承系統(tǒng)/29

2.2非完全約束磁懸浮系統(tǒng)的實際案例/29

2.2.1磁懸浮盤片系統(tǒng)的動力學(xué)模型/29

2.2.2磁懸浮盤片系統(tǒng)盤片空間狀態(tài)信息的獲取/31

2.2.3磁懸浮盤片系統(tǒng)盤片控制信號的計算/32

2.2.4電磁鐵三個方向電磁力的特性/33

2.2.5磁懸浮支承邊緣效應(yīng)電磁力的實驗測定/36

2.2.6磁懸浮盤片系統(tǒng)的實驗/38

2.3磁懸浮支承的冗余設(shè)計與可靠性/42

2.3.1徑向磁懸浮支承冗余設(shè)計方案/43

2.3.2軸向磁懸浮支承冗余設(shè)計方案/44

2.3.3控制系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計方案/45

2.3.4徑向磁懸浮支承殘余承載力/46

2.3.5軸向磁懸浮支承殘余承載力/46

2.3.6磁懸浮支承冗余設(shè)計的可靠性/48

2.4弱耦合徑向磁懸浮支承/50

2.4.1力平衡補(bǔ)償控制/51

2.4.2弱耦合徑向磁懸浮支承冗余設(shè)計/54

2.4.3參數(shù)的計算與選擇/55

2.4.4各種失效類型的補(bǔ)償/56

2.5弱耦合軸向磁懸浮支承/59

2.5.1結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定/60

2.5.2六環(huán)冗余結(jié)構(gòu)殘余承載力/62

2.5.3六環(huán)冗余結(jié)構(gòu)附加彎矩/63

2.5.4六環(huán)冗余結(jié)構(gòu)與兩環(huán)冗余結(jié)構(gòu)的性能對比/67

2.5.5六環(huán)冗余軸向磁懸浮支承的熱性能/69

2.6本章小結(jié)/79

本章參考文獻(xiàn)/80

磁懸浮智能支承目錄第3章磁懸浮軸承磁場分析與支承參數(shù)識別/83

3.1磁懸浮軸承三維磁場有限元分析/83

3.1.1有限元建模/83

3.1.2求解/89

3.1.3解后處理/89

3.2磁懸浮軸承磁場耦合分析/95

3.2.1不同磁極布置形式的磁場分布比較/95

3.2.2不同磁極布置形式的磁力比較/98

3.3磁懸浮支承特性參數(shù)的測試和辨別/99

3.3.1力電流系數(shù)的實驗測定/100

3.3.2力位移系數(shù)的實驗測定/101

3.3.3電控環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型辨別/102

3.3.4磁懸浮軸承動力特性參數(shù)的辨別/106

3.4本章小結(jié)/107

本章參考文獻(xiàn)/108

第4章磁懸浮智能支承的控制算法/109

4.1磁懸浮支承的PD控制算法/109

4.2磁懸浮支承的PID控制算法/116

4.3磁懸浮支承的智能控制算法/118

4.4磁懸浮支承系統(tǒng)模糊控制/120

4.4.1模糊控制概述/120

4.4.2模糊控制原理/120

4.4.3模糊PID控制/121

4.4.4基于模糊PID控制的磁懸浮系統(tǒng)/124

4.5磁懸浮系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制/126

4.5.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制概述/126

4.5.2人工神經(jīng)元模型/126

4.5.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)規(guī)則/127

4.5.4BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制/128

4.5.5單神經(jīng)元自適應(yīng)控制及仿真/129

4.6BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實例/130

4.7本章小結(jié)/132

本章參考文獻(xiàn)/133

第5章磁懸浮支承的故障診斷與重構(gòu)/134

5.1磁懸浮支承的故障分類/134

5.1.1針對位移檢測環(huán)路的故障分析/135

5.1.2針對電流控制環(huán)路的故障分析/136

5.2磁懸浮智能支承的重構(gòu)/138

5.2.1基于冗余位移傳感器的容錯控制/139

5.2.2強(qiáng)耦合冗余支承結(jié)構(gòu)的重構(gòu)策略/140

5.2.3弱耦合冗余支承結(jié)構(gòu)的重構(gòu)策略/149

5.3本章小結(jié)/160

本章參考文獻(xiàn)/160

第6章磁懸浮直線支承/164

6.1常導(dǎo)磁懸浮列車/164

6.1.1EMS式磁懸浮列車/164

6.1.2EDS式磁懸浮列車/167

6.2超導(dǎo)磁懸浮列車/169

6.3真空管道磁懸浮列車/171

6.3.1常導(dǎo)電磁懸浮/171

6.3.2永磁懸浮/172

6.3.3電動懸浮/174

6.3.4高溫超導(dǎo)懸浮/174

6.3.5混合磁懸浮/175

6.3.6真空管道磁懸浮列車方面的研究/175

6.4磁懸浮列車的特點與懸浮模型/178

6.4.1磁懸浮列車特點/178

6.4.2磁懸浮列車懸浮原理與懸浮模型/179

6.5磁懸浮直線支承其他應(yīng)用/185

6.5.1磁懸浮機(jī)床導(dǎo)軌/185

6.5.2磁懸浮電梯/185

6.6本章小結(jié)/187

本章參考文獻(xiàn)/187

第7章磁懸浮主動隔振技術(shù)/191

7.1磁懸浮主動隔振技術(shù)原理/191

7.2差動式磁懸浮隔振器數(shù)學(xué)模型/192

7.3磁懸浮隔振器的設(shè)計與分析/194

7.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇/194

7.3.2磁懸浮隔振器電磁場分析/195

7.3.3電磁力模型辨識/198

7.4磁懸浮主動隔振系統(tǒng)動力學(xué)特性/200

7.4.1磁懸浮單層隔振系統(tǒng)動力學(xué)特性/200

7.4.2磁懸浮雙層隔振系統(tǒng)動力學(xué)特性/202

7.4.3磁懸浮浮筏隔振系統(tǒng)動力學(xué)特性/208

7.5磁懸浮隔振系統(tǒng)的控制系統(tǒng)/215

7.5.1控制策略/215

7.5.2控制模型/216

7.6LQR控制系統(tǒng)仿真/217

7.6.1磁懸浮單層隔振系統(tǒng)/217

7.6.2磁懸浮浮筏隔振系統(tǒng)/218

7.7實驗分析/220

7.7.1隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計/220

7.7.2磁懸浮單層隔振系統(tǒng)實驗分析/223

7.7.3磁懸浮浮筏隔振系統(tǒng)實驗分析/224

7.8本章小結(jié)/224

本章參考文獻(xiàn)/225

第8章磁懸浮微重力隔振系統(tǒng)/226

8.1空間微重力環(huán)境與磁懸浮隔振裝置/226

8.1.1空間微重力環(huán)境與空間科學(xué)實驗/226

8.1.2空間微重力隔振裝置/228

8.1.3磁懸浮微重力主動隔振系統(tǒng)面臨的基礎(chǔ)理論問題/235

8.2磁懸浮微重力隔振系統(tǒng)建模/236

8.2.1隔振控制系統(tǒng)基本原理/236

8.2.2磁懸浮微重力隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計/236

8.2.3微重力隔振裝置測量模型建立/238

8.2.4微重力隔振系統(tǒng)動力學(xué)建模/246

8.3磁懸浮微重力隔振控制系統(tǒng)設(shè)計/253

8.4本章小結(jié)/258

本章參考文獻(xiàn)/258

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