本書嘗試將磁懸浮旋轉支承與磁懸浮直線支承結合起來，以磁懸浮支承技術為研究對象，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)展歷史與現狀、磁懸浮智能支承的概念與內涵、磁懸浮支承結構的冗余與重構、磁懸浮支承的智能控制算法等磁懸浮智能支承的基礎理論，介紹了常導磁懸浮列車、超導磁懸浮列車、真空管道磁懸浮列車的工作原理及發(fā)展現狀與趨勢，論述了磁懸浮電梯、磁懸浮導軌的應用，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科研工作人員和高等學校的教師、研究生等。本書也可以作為研究生的教材使用。
智能制造與機器人理論及技術研究叢書之一，智能軸承技術是智能裝備的關鍵技術之一。
隨著磁懸浮技術的成熟，磁懸浮技術在旋轉支承和直線支承兩大應用領域得到了飛速發(fā)展。本書嘗試將磁懸浮旋轉支承（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。智能軸承技術是智能裝備的關鍵技術之一。近年來，智能軸承技術得到快速發(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，特別是主動磁懸浮支承的出現，為智能支承的實現提供了一個*的機會。這是因為主動磁懸浮支承從原理上為實現支承的全面智能化提供了支撐。很多現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，增加適當硬件或進行硬件改造，就能夠實現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，從磁懸浮軸承的結構、冗余、故障診斷與重構、智能控制算法等磁懸浮智能軸承的基礎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行研究，所以在磁懸浮列車與磁懸浮電梯的應用方面僅限于介紹國內外的研究成果，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，將磁懸浮支承技術的研究引向更深更廣的領域，特別是在智能支承方面，磁懸浮旋轉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、共同發(fā)展，把磁懸浮智能支承技術推向更高的層次、更廣的范圍，為磁懸浮支承技術的智能化、磁懸浮智能軸承的產業(yè)化奠定堅實的理論基礎，為磁懸浮列車的智能化提供技術支持，為高端裝備的智能化提供借鑒。本書具體內容如下：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的磁懸浮支承技術的發(fā)展歷史及現狀，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構形式特別是冗余結構為磁懸浮支承的重構與自愈提供了可能，這也是磁懸浮智能支承區(qū)別于其他支承*典型的結構特征。第3章從磁懸浮軸承三維磁場分析、磁懸浮軸承支承參數的辨識等方面著重分析了磁懸浮軸承的支承特性。這是關于磁懸浮軸承*基礎的分析工作，也是磁懸浮智能支承*基礎的理論支撐。磁懸浮智能支承之所以能夠成為具有4S特征的智能支承，除了在結構上具有冗余和在線重構特征外，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，在此基礎上著重闡述了磁懸浮軸承模糊控制、神經網絡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、冗余重構等方面，闡述了磁懸浮支承在出現故障時，通過冗余的結構或電路等，在線(自主)重新構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用，介紹了常導磁懸浮列車、超導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用，即磁懸浮電梯和磁懸浮導軌。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用，旨在在更大范圍內向讀者介紹磁懸浮支承的廣泛應用，為推動磁懸浮支承，特別是磁懸浮智能支承的應用提供借鑒。本書是作者團隊多年研究工作的總結，除了磁懸浮直線支承外，主要內容是團隊中老師與學生共同研究的結果。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，本書部分內容也包含他們的研究成果。本書內容涉及作者團隊主持或參與的多項國家自然科學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) 工學博士，武漢理工大學二級教授、博士生導師，機械工程專業(yè)責任教授，美國密歇根大學訪問學者。國際磁懸浮軸承學術委員會委員、全國磁懸浮技術專業(yè)委員會副主任委員、中國人工智能學會智能制造專業(yè)委員會常務委員、湖北省電工技術學會副理事長。主要研究領域：磁懸浮技術、復合材料設計、數字制造。主持國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、中俄國際合作項目、湖北省自然科學基金重點類項目、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方面的研究。獲得湖北省科學技術獎（技術發(fā)明獎二等獎）1項；獲得國家發(fā)明專利授權16項；出版學術專著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 工學博士，武漢理工大學教授。1982年畢業(yè)于華中工學院（今華中科技大學）機械系機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械廠工作，工程師；1989年至今在武漢理工大學機電工程學院從事教學與科研工作。主要研究領域：機械制造、機電一體化設備、磁懸浮技術及其應用、工業(yè)工程。在國內外學術期刊和會議上發(fā)表學術論文60多篇；獲得國家發(fā)明專利授權20多項。參與磁懸浮轉子的關鍵技術項目，獲2005年度湖北省科學技術獎（技術發(fā)明獎二等獎）。參與了《磁力軸承的基礎理論與應用》一書的編寫工作。
宋春生 工學博士，武漢理工大學機電工程學院教授、博士生導師。湖北省磁懸浮工程技術研究中心副主任，入選武漢市黃鶴英才計劃。主要研究領域：磁懸浮主動隔振技術、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等。在國內外重要學術期刊及會議上發(fā)表高水平學術論文40余篇，其中SCI收錄30余篇；參編專著1部；獲批軟件版權4項；申請國家專利30項，授權14項；主持國家自然科學基金項目3項，主持和承擔其他、省部級項目及軍工與企業(yè)項目20余項。兼任中國電子學會電子機械工程分會委員、中國機械行業(yè)卓越工程師教育聯盟智能制造專業(yè)委員會委員、全國材料新技術發(fā)展研究會屆理事會理事、湖北省電機工程學會理事、中國機械工程學會高級會員、中國電子學會高級會員。
第1章緒論/1
1.1磁懸浮支承的發(fā)展歷史與現狀/3
1.2磁懸浮旋轉支承/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)展現狀/20
1.4.2磁懸浮智能支承/23
1.5本章小結/25
本章參考文獻/25
第2章磁懸浮智能支承的結構/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計與可靠性/42
2.3.1徑向磁懸浮支承冗余設計方案/43
2.3.2軸向磁懸浮支承冗余設計方案/44
2.3.3控制系統(tǒng)冗余結構設計方案/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力平衡補償控制/51
2.4.2弱耦合徑向磁懸浮支承冗余設計/54
2.4.3參數的計算與選擇/55
2.4.4各種失效類型的補償/56
2.5弱耦合軸向磁懸浮支承/59
2.5.1結構參數的確定/60
2.5.2六環(huán)冗余結構殘余承載力/62
2.5.3六環(huán)冗余結構附加彎矩/63
2.5.4六環(huán)冗余結構與兩環(huán)冗余結構的性能對比/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/79
本章參考文獻/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的測試和辨別/99
3.3.1力電流系數的實驗測定/100
3.3.2力位移系數的實驗測定/101
3.3.3電控環(huán)節(jié)的數學模型辨別/102
3.3.4磁懸浮軸承動力特性參數的辨別/106
3.4本章小結/107
本章參考文獻/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)神經網絡控制/126
4.5.1神經網絡控制概述/126
4.5.2人工神經元模型/126
4.5.3神經網絡學習規(guī)則/127
4.5.4BP神經網絡PID控制/128
4.5.5單神經元自適應控制及仿真/129
4.6BP神經網絡控制實例/130
4.7本章小結/132
本章參考文獻/133
第5章磁懸浮支承的故障診斷與重構/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/138
5.2.1基于冗余位移傳感器的容錯控制/139
5.2.2強耦合冗余支承結構的重構策略/140
5.2.3弱耦合冗余支承結構的重構策略/149
5.3本章小結/160
本章參考文獻/160
第6章磁懸浮直線支承/164
6.1常導磁懸浮列車/164
6.1.1EMS式磁懸浮列車/164
6.1.2EDS式磁懸浮列車/167
6.2超導磁懸浮列車/169
6.3真空管道磁懸浮列車/171
6.3.1常導電磁懸浮/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用/185
6.5.1磁懸浮機床導軌/185
6.5.2磁懸浮電梯/185
6.6本章小結/187
本章參考文獻/187
第7章磁懸浮主動隔振技術/191
7.1磁懸浮主動隔振技術原理/191
7.2差動式磁懸浮隔振器數學模型/192
7.3磁懸浮隔振器的設計與分析/194
7.3.1結構設計及參數選擇/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)動力學特性/200
7.4.1磁懸浮單層隔振系統(tǒng)動力學特性/200
7.4.2磁懸浮雙層隔振系統(tǒng)動力學特性/202
7.4.3磁懸浮浮筏隔振系統(tǒng)動力學特性/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)結構設計/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/224
本章參考文獻/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構設計/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)動力學建模/246
8.3磁懸浮微重力隔振控制系統(tǒng)設計/253
8.4本章小結/258
本章參考文獻/258
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