【现货速发】磁悬浮智能支承(精)/智能制造与机器人理论及技术研究丛书

随着磁悬浮技术的成熟，磁悬浮技术在旋转支承和直线支承两大应用领域得到了飞速发展。本书尝试将磁悬浮旋转支承（如磁悬浮轴承）和磁悬浮直线支承（如磁悬浮列车、磁悬浮导轨等）作为一个整体研究对象展开论述。工业4.0的到来，使智能制造的概念、理论、技术与方法迅猛发展，智能装备日新月异。轴承作为装备的核心部件，是高端装备或智能装备必须使用的核心部件。智能轴承技术是智能装备的关键技术之一。近年来，智能轴承技术得到快速发展。然而，直到目前为止，轴承的智能化主要停留在智能监测层面，更进一步的智能化需要在支承原理、支承方式等方面做较大的创新。磁悬浮支承的出现，特别是主动磁悬浮支承的出现，为智能支承的实现提供了一个*的机会。这是因为主动磁悬浮支承从原理上为实现支承的全面智能化提供了支撑。很多现有的主动磁悬浮轴承，只需要对控制系统装载智能化算法，增加适当硬件或进行硬件改造，就能够实现磁悬浮轴承的智能化改装。本书以磁悬浮轴承的智能化为出发点，从磁悬浮轴承的结构、冗余、故障诊断与重构、智能控制算法等磁悬浮智能轴承的基础理论与方法方面展开论述，再以磁悬浮列车与磁悬浮电梯的应用、磁悬浮振动的主动控制、磁悬浮微重力隔振平台等典型应用为例介绍磁悬浮直线支承。由于作者没有在磁悬浮直线支承的智能化方面进行研究，所以在磁悬浮列车与磁悬浮电梯的应用方面仅限于介绍国内外的研究成果，在磁悬浮振动的主动控制和磁悬浮微重力隔振平台方面仅介绍我们自己的研究成果，没有在智能化方面展开论述。将磁悬浮直线支承纳入本书的范围，旨在抛砖引玉，将磁悬浮支承技术的研究引向更深更广的领域，特别是在智能支承方面，磁悬浮旋转支承与磁悬浮直线支承有很多共同之处，可以相互借鉴、相互促进、共同发展，把磁悬浮智能支承技术推向更高的层次、更广的范围，为磁悬浮支承技术的智能化、磁悬浮智能轴承的产业化奠定坚实的理论基础，为磁悬浮列车的智能化提供技术支持，为高端装备的智能化提供借鉴。本书具体内容如下：磁悬浮智能支承前言第1章简要介绍了包括磁悬浮轴承与磁悬浮列车在内的磁悬浮支承技术的发展历史及现状，论述了磁悬浮轴承的分类及其特点，介绍了智能支承的发展趋势，提出了具有“4S”特征的智能支承概念，阐述了磁悬浮智能支承的具体内容。第2章主要从完全约束磁悬浮支承系统与非完全约束磁悬浮支承系统，磁悬浮支承的冗余设计与可靠性，弱耦合径向、轴向磁悬浮支承等方面，阐述了磁悬浮支承的典型结构形式特别是冗余结构为磁悬浮支承的重构与自愈提供了可能，这也是磁悬浮智能支承区别于其他支承*典型的结构特征。第3章从磁悬浮轴承三维磁场分析、磁悬浮轴承支承参数的辨识等方面着重分析了磁悬浮轴承的支承特性。这是关于磁悬浮轴承*基础的分析工作，也是磁悬浮智能支承*基础的理论支撑。磁悬浮智能支承之所以能够成为具有“4S”特征的智能支承，除了在结构上具有冗余和在线重构特征外，主要是因为它具有智能控制算法。第4章从磁悬浮控制系统的基本算法——PD控制算法入手，介绍了PID控制，在此基础上着重阐述了磁悬浮轴承模糊控制、神经网络控制等智能控制算法。磁悬浮智能支承的重要特征是具有自诊断与自愈功能。第5章从磁悬浮支承的故障诊断、容错控制、冗余重构等方面，阐述了磁悬浮支承在出现故障时，通过冗余的结构或电路等，在线(自主)重新构成新的悬浮控制系统，使磁悬浮支承的支承性能不退化，从而实现磁悬浮智能支承的自愈功能。第6章主要讲述磁悬浮直线支承的应用，介绍了常导磁悬浮列车、超导磁悬浮列车及正在研究的真空管道磁悬浮列车的工作原理及其发展现状与趋势；基于轮轨列车与磁悬浮列车的工作原理，阐述了磁悬浮列车的特点与优势。同时介绍了另外两种磁悬浮直线支承的应用，即磁悬浮电梯和磁悬浮导轨。第7章、第8章主要从磁悬浮支承的减振隔振作用出发，阐述了磁悬浮支承的两种典型应用，旨在在更大范围内向读者介绍磁悬浮支承的广泛应用，为推动磁悬浮支承，特别是磁悬浮智能支承的应用提供借鉴。本书是作者团队多年研究工作的总结，除了磁悬浮直线支承外，主要内容是团队中老师与学生共同研究的结果。在此特别感谢吴华春教授、丁国平教授、张锦光教授、程鑫副教授、郭新华副教授、陈昌皓博士等的支持与帮助，本书部分内容也包含他们的研究成果。本书内容涉及作者团队主持或参与的多项国家自然科学基金项目的研究成果，也包含国家重点研发计划的研究内容。在此一并感谢这些项目的资助！作者2020年11月

本书尝试将磁悬浮旋转支承与磁悬浮直线支承结合起来，以磁悬浮支承技术为研究对象，阐述磁悬浮智能支承的共同特征。本书主要阐述了磁悬浮支承的发展历史与现状、磁悬浮智能支承的概念与内涵、磁悬浮支承结构的冗余与重构、磁悬浮支承的智能控制算法等磁悬浮智能支承的基础理论，介绍了常导磁悬浮列车、超导磁悬浮列车、真空管道磁悬浮列车的工作原理及发展现状与趋势，论述了磁悬浮电梯、磁悬浮导轨的应用，还介绍了磁悬浮支承的减振隔振原理、方法与装置。本书主要读者为从事磁悬浮研究的相关科研工作人员和高等学校的教师、研究生等。本书也可以作为研究生的教材使用。

胡业发 工学博士，武汉理工大学二级教授、博士生导师，机械工程专业责任教授，美国密歇根大学访问学者。国际磁悬浮轴承学术委员会委员、全国磁悬浮技术专业委员会副主任委员、中国人工智能学会智能制造专业委员会常务委员、湖北省电工技术学会副理事长。主要研究领域：磁悬浮技术、复合材料设计、数字制造。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中俄国际合作项目、湖北省自然科学基金重点类项目、湖北省科技创新项目重大专项和企业横向项目等30余项。长期从事磁悬浮技术方面的研究。获得湖北省科学技术奖（技术发明奖二等奖）1项；获得国家发明专利授权16项；出版学术专著2部，教材1部；发表论文100多篇，其中80篇被SCI/EI/ISTP收录。

王晓光 工学博士，武汉理工大学教授。1982年毕业于华中工学院（今华中科技大学）机械系机械制造及其自动化专业；1982年至1989年在铁道部大桥工程局桥梁机械厂工作，工程师；1989年至今在武汉理工大学机电工程学院从事教学与科研工作。主要研究领域：机械制造、机电一体化设备、磁悬浮技术及其应用、工业工程。在国内外学术期刊和会议上发表学术论文60多篇；获得国家发明专利授权20多项。参与“磁悬浮转子的关键技术”项目，获2005年度湖北省科学技术奖（技术发明奖二等奖）。参与了《磁力轴承的基础理论与应用》一书的编写工作。

宋春生 工学博士，武汉理工大学机电工程学院教授、博士生导师。湖北省磁悬浮工程技术研究中心副主任，入选武汉市“黄鹤英才计划”。主要研究领域：磁悬浮主动隔振技术、状态监测与故障诊断等。在国内外重要学术期刊及会议上发表高水平学术论文40余篇，其中SCI收录30余篇；参编专著1部；获批软件版权4项；申请国家专利30项，授权14项；主持国家自然科学基金项目3项，主持和承担其他、省部级项目及军工与企业项目20余项。兼任中国电子学会电子机械工程分会委员、中国机械行业卓越工程师教育联盟智能制造专业委员会委员、全国材料新技术发展研究会届理事会理事、湖北省电机工程学会理事、中国机械工程学会高级会员、中国电子学会高级会员。

第1章绪论/1

1.1磁悬浮支承的发展历史与现状/3

1.2磁悬浮旋转支承/9

1.2.1主动磁悬浮轴承/9

1.2.2被动磁悬浮轴承/10

1.2.3超导磁悬浮轴承/11

1.2.4混合磁悬浮轴承/14

1.3磁悬浮轴承的特点/18

1.4智能支承/19

1.4.1轴承智能化的研究及其发展现状/20

1.4.2磁悬浮智能支承/23

1.5本章小结/25

本章参考文献/25

第2章磁悬浮智能支承的结构/28

2.1磁悬浮支承原理/28

2.1.1完全约束磁悬浮支承系统/28

2.1.2非完全约束磁悬浮支承系统/29

2.2非完全约束磁悬浮系统的实际案例/29

2.2.1磁悬浮盘片系统的动力学模型/29

2.2.2磁悬浮盘片系统盘片空间状态信息的获取/31

2.2.3磁悬浮盘片系统盘片控制信号的计算/32

2.2.4电磁铁三个方向电磁力的特性/33

2.2.5磁悬浮支承边缘效应电磁力的实验测定/36

2.2.6磁悬浮盘片系统的实验/38

2.3磁悬浮支承的冗余设计与可靠性/42

2.3.1径向磁悬浮支承冗余设计方案/43

2.3.2轴向磁悬浮支承冗余设计方案/44

2.3.3控制系统冗余结构设计方案/45

2.3.4径向磁悬浮支承残余承载力/46

2.3.5轴向磁悬浮支承残余承载力/46

2.3.6磁悬浮支承冗余设计的可靠性/48

2.4弱耦合径向磁悬浮支承/50

2.4.1力平衡补偿控制/51

2.4.2弱耦合径向磁悬浮支承冗余设计/54

2.4.3参数的计算与选择/55

2.4.4各种失效类型的补偿/56

2.5弱耦合轴向磁悬浮支承/59

2.5.1结构参数的确定/60

2.5.2六环冗余结构残余承载力/62

2.5.3六环冗余结构附加弯矩/63

2.5.4六环冗余结构与两环冗余结构的性能对比/67

2.5.5六环冗余轴向磁悬浮支承的热性能/69

2.6本章小结/79

本章参考文献/80

磁悬浮智能支承目录第3章磁悬浮轴承磁场分析与支承参数识别/83

3.1磁悬浮轴承三维磁场有限元分析/83

3.1.1有限元建模/83

3.1.2求解/89

3.1.3解后处理/89

3.2磁悬浮轴承磁场耦合分析/95

3.2.1不同磁极布置形式的磁场分布比较/95

3.2.2不同磁极布置形式的磁力比较/98

3.3磁悬浮支承特性参数的测试和辨别/99

3.3.1力电流系数的实验测定/100

3.3.2力位移系数的实验测定/101

3.3.3电控环节的数学模型辨别/102

3.3.4磁悬浮轴承动力特性参数的辨别/106

3.4本章小结/107

本章参考文献/108

第4章磁悬浮智能支承的控制算法/109

4.1磁悬浮支承的PD控制算法/109

4.2磁悬浮支承的PID控制算法/116

4.3磁悬浮支承的智能控制算法/118

4.4磁悬浮支承系统模糊控制/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控制的磁悬浮系统/124

4.5磁悬浮系统神经网络控制/126

4.5.1神经网络控制概述/126

4.5.2人工神经元模型/126

4.5.3神经网络学习规则/127

4.5.4BP神经网络PID控制/128

4.5.5单神经元自适应控制及仿真/129

4.6BP神经网络控制实例/130

4.7本章小结/132

本章参考文献/133

第5章磁悬浮支承的故障诊断与重构/134

5.1磁悬浮支承的故障分类/134

5.1.1针对位移检测环路的故障分析/135

5.1.2针对电流控制环路的故障分析/136

5.2磁悬浮智能支承的重构/138

5.2.1基于冗余位移传感器的容错控制/139

5.2.2强耦合冗余支承结构的重构策略/140

5.2.3弱耦合冗余支承结构的重构策略/149

5.3本章小结/160

本章参考文献/160

第6章磁悬浮直线支承/164

6.1常导磁悬浮列车/164

6.1.1EMS式磁悬浮列车/164

6.1.2EDS式磁悬浮列车/167

6.2超导磁悬浮列车/169

6.3真空管道磁悬浮列车/171

6.3.1常导电磁悬浮/171

6.3.2永磁悬浮/172

6.3.3电动悬浮/174

6.3.4高温超导悬浮/174

6.3.5混合磁悬浮/175

6.3.6真空管道磁悬浮列车方面的研究/175

6.4磁悬浮列车的特点与悬浮模型/178

6.4.1磁悬浮列车特点/178

6.4.2磁悬浮列车悬浮原理与悬浮模型/179

6.5磁悬浮直线支承其他应用/185

6.5.1磁悬浮机床导轨/185

6.5.2磁悬浮电梯/185

6.6本章小结/187

本章参考文献/187

第7章磁悬浮主动隔振技术/191

7.1磁悬浮主动隔振技术原理/191

7.2差动式磁悬浮隔振器数学模型/192

7.3磁悬浮隔振器的设计与分析/194

7.3.1结构设计及参数选择/194

7.3.2磁悬浮隔振器电磁场分析/195

7.3.3电磁力模型辨识/198

7.4磁悬浮主动隔振系统动力学特性/200

7.4.1磁悬浮单层隔振系统动力学特性/200

7.4.2磁悬浮双层隔振系统动力学特性/202

7.4.3磁悬浮浮筏隔振系统动力学特性/208

7.5磁悬浮隔振系统的控制系统/215

7.5.1控制策略/215

7.5.2控制模型/216

7.6LQR控制系统仿真/217

7.6.1磁悬浮单层隔振系统/217

7.6.2磁悬浮浮筏隔振系统/218

7.7实验分析/220

7.7.1隔振系统结构设计/220

7.7.2磁悬浮单层隔振系统实验分析/223

7.7.3磁悬浮浮筏隔振系统实验分析/224

7.8本章小结/224

本章参考文献/225

第8章磁悬浮微重力隔振系统/226

8.1空间微重力环境与磁悬浮隔振装置/226

8.1.1空间微重力环境与空间科学实验/226

8.1.2空间微重力隔振装置/228

8.1.3磁悬浮微重力主动隔振系统面临的基础理论问题/235

8.2磁悬浮微重力隔振系统建模/236

8.2.1隔振控制系统基本原理/236

8.2.2磁悬浮微重力隔振结构设计/236

8.2.3微重力隔振装置测量模型建立/238

8.2.4微重力隔振系统动力学建模/246

8.3磁悬浮微重力隔振控制系统设计/253

8.4本章小结/258

本章参考文献/258 

本书尝试将磁悬浮旋转支承与磁悬浮直线支承结合起来，以磁悬浮支承技术为研究对象，阐述磁悬浮智能支承的共同特征。本书主要阐述了磁悬浮支承的发展历史与现状、磁悬浮智能支承的概念与内涵、磁悬浮支承结构的冗余与重构、磁悬浮支承的智能控制算法等磁悬浮智能支承的基础理论，介绍了常导磁悬浮列车、超导磁悬浮列车、真空管道磁悬浮列车的工作原理及发展现状与趋势，论述了磁悬浮电梯、磁悬浮导轨的应用，还介绍了磁悬浮支承的减振隔振原理、方法与装置。本书主要读者为从事磁悬浮研究的相关科研工作人员和高等学校的教师、研究生等。本书也可以作为研究生的教材使用。

胡业发 工学博士，武汉理工大学二级教授、博士生导师，机械工程专业责任教授，美国密歇根大学访问学者。国际磁悬浮轴承学术委员会委员、全国磁悬浮技术专业委员会副主任委员、中国人工智能学会智能制造专业委员会常务委员、湖北省电工技术学会副理事长。主要研究领域：磁悬浮技术、复合材料设计、数字制造。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中俄国际合作项目、湖北省自然科学基金重点类项目、湖北省科技创新项目重大专项和企业横向项目等30余项。长期从事磁悬浮技术方面的研究。获得湖北省科学技术奖（技术发明奖二等奖）1项；获得国家发明专利授权16项；出版学术专著2部，教材1部；发表论文100多篇，其中80篇被SCI/EI/ISTP收录。

王晓光 工学博士，武汉理工大学教授。1982年毕业于华中工学院（今华中科技大学）机械系机械制造及其自动化专业；1982年至1989年在铁道部大桥工程局桥梁机械厂工作，工程师；1989年至今在武汉理工大学机电工程学院从事教学与科研工作。主要研究领域：机械制造、机电一体化设备、磁悬浮技术及其应用、工业工程。在国内外学术期刊和会议上发表学术论文60多篇；获得国家发明专利授权20多项。参与“磁悬浮转子的关键技术”项目，获2005年度湖北省科学技术奖（技术发明奖二等奖）。参与了《磁力轴承的基础理论与应用》一书的编写工作。

宋春生 工学博士，武汉理工大学机电工程学院教授、博士生导师。湖北省磁悬浮工程技术研究中心副主任，入选武汉市“黄鹤英才计划”。主要研究领域：磁悬浮主动隔振技术、状态监测与故障诊断等。在国内外重要学术期刊及会议上发表高水平学术论文40余篇，其中SCI收录30余篇；参编专著1部；获批软件版权4项；申请国家专利30项，授权14项；主持国家自然科学基金项目3项，主持和承担其他、省部级项目及军工与企业项目20余项。兼任中国电子学会电子机械工程分会委员、中国机械行业卓越工程师教育联盟智能制造专业委员会委员、全国材料新技术发展研究会届理事会理事、湖北省电机工程学会理事、中国机械工程学会高级会员、中国电子学会高级会员。

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