第一章绪论磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化技术。

磁悬浮技术是利用磁场力使一物体沿着或绕着某一基准框架的一轴或者几轴保持固定位置，由于悬浮体和支撑之间无任何接触，克服了由摩擦带来的能量消耗和速度限制，具有寿命长，能耗低，安全可靠等优点，目前各国已广泛开展了对磁悬浮控制系统的研究。

随着电子技术、控制理论、电磁理论、及新型电磁材料的发展，磁悬浮技术得到了长足的发展。

1.1 磁悬浮方式的分类及技术应用背景磁悬浮可分为以下3种主要应用方式[1]：（1）电磁吸引控制悬浮方式这种控制方式利用了导磁材料与电磁铁之间的引力，绝大部分磁悬浮技术采用这种方式。

虽然原理上这种吸引力是一种不稳定的力，但通过控制电磁铁电流的大小，可以将悬浮气隙保持在一定数值上。

随着现代控制理论和驱动元器件的发展，该方式在工业领域得到了广泛运用。

在此基础上也有研究人员将需要大电流励磁的电磁铁部分换成可控型永久磁铁，这样可以大幅度降低励磁损耗。

（2）永久磁铁斥力悬浮方式这种控制方式利用永久磁体之间的斥力，根据所用的磁材料的不同，其产生的斥力也有所差别。

由于横向位移的不稳定因素，需要从力学角度来安排磁铁的位置。

近年来随着稀土材料的普及，该方式将会更多的应用于各个领域。

（3）感应斥力方式这种控制方式利用了磁铁或励磁线圈和短路线圈之间的斥力，简称感应斥力方式。

为了得到斥力，励磁线圈和短路线圈之间必须有相对的运动。

这种方式主要运动于超导磁悬浮列车的悬浮装置上。

但是，在低速时由于得不到足够的悬浮力，限制了这种方式的广泛应用。

近年来，磁悬浮技术作为新兴机电一体化技术发展迅速，与其它技术相比，1磁悬浮技术具有如下优点：1.能够实现非接触式的运动控制，避免了机械接触，减少损耗，延长设备使用寿命；2.无需润滑，可以省去泵、管道、过滤器、密封元件；3.功耗低，减少了损耗；4.定位、控制精度高，其上限取决于位移传感器的精度；5.清洁无污染；目前各国都在大力发展磁悬浮技术的多方面应用，以期适应生产发展要求。

磁悬浮列车以其在经济、环保等方面的优势被认为是二十一世纪交通工具的发展方向，德国和日本在这方面已经取得很大的进展，技术逐渐成熟。

磁悬浮轴承有着一般传统轴承和支撑技术所无法比拟的优越性，并且已取得工业的广泛应用。

另外，磁悬浮隔振器、磁悬浮电机等相关技术也都发展迅速，进入了工业应用领域。

1.2磁悬浮技术研究现状利用磁力使物体处于无接触悬浮状态是人类一个古老的梦想，人们试图采用永久磁铁实现物体的稳定悬浮，均未获得成功。

1842年，Earnshaw 证明:单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有6个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的，唯有采用抗磁性材料才能依靠选择恰当的永久磁铁结构与相应的磁场分布而实现稳定悬浮[2]。

然而真正意义上的磁悬浮研究是从本世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮列车研究开始的。

1937年德国Kemper申请了第一个磁悬浮技术专利，他认为要使铁磁体实现稳定的磁悬浮，必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小，即采用可控电磁铁才能实现，这一思想成为后来开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。

伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展，上世纪60年代中期对磁悬浮技术的研究跃上了一个新台阶。

经过半个世纪的研究，目前磁悬浮技术在很多领域取得了重要突破，某些领域已经开始广泛应用[3]，越来越多的磁悬浮技术相关产品问世。

目前最具有代表性的技术[4]是磁悬浮列车和磁悬浮轴承。

英国、日本、德国等国家都相继开展了对磁悬浮列车的研究。

对于磁悬浮列车的研究由来已久，其依靠电磁吸力或电磁斥力将列车悬浮于空中并进行导2向，实现列车与地面轨道间的无机械接触。

按悬浮方式，磁悬浮列车可被分为常导磁吸型和超导排斥型两类。

1969 年,德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车系统模型,以后命名为TR01 型,该车在1 km 轨道上时速达165 km ,这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。

在制造磁悬浮列车的角逐中,日本和德国是两大竞争对手。

1994年2月24日,日本的电动悬浮式磁悬浮列车,在宫崎一段74 km长的试验线上,创造了时速431 km 的日本最高记录。

1999年4月日本研制的超导磁悬浮列车在实验线上达到时速552 km ,德国经过20 年的努力,技术上已趋成熟,已具有建造运营线路的水平。

原计划在汉堡和柏林之间修建第一条时速为400 km 的磁悬浮铁路,总长度为248 km ,预计2003 年正式投入营运。

但由于资金计划问题,2002 年宣布停止了这一计划。

以德国高速常导磁悬浮列车TransRapid为代表的常导磁吸型是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理，由车上常导电流产生电磁引力，吸引轨道下的导磁体，使列车浮起。

以日本MagLev为代表的超导排斥型磁悬浮列车，利用超导磁体产生的强磁场在列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车浮起，其悬浮气隙较大，技术相当复杂，并需屏蔽发散的电磁场。

目前，在世界磁悬浮列车技术领域中，日本和德国占据领先地位。

磁悬浮轴承的研究[5]是磁悬浮技术发展并向应用方向转化的一个重要实例。

1969年法国军部科研实验室(LRBA)开始对磁悬浮轴承的研究，1972年将第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑上，从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。

此后磁悬浮轴承很快被应用到国防、航天等领域。

美国在1983年11月搭载于航天飞机上的欧洲空间实验舱采用了磁悬浮轴承真空泵。

1977年，法国S2M(Societe decanique Magnetique)公司在Hanover欧洲国际机床博览会上，首次向公众推出了B20/500转子系统，并在35000rpm 下进行了钻、铣削的现场表演，其高速、高效、高精度、低功耗的优良性能引起了国际上的关注。

1983年，该公司又在第五届欧洲国际机床博览会上展出了系列磁力轴承及其转子部件。

其后该公司又与日本精工精机公司合资建立了JMB(JapanMagnetic Bearings.LTD)公司。

形成了以S2M公司和JMB, MBI两个子公司为基地的全球生产、销售和研究开发磁力轴承的体系。

在日本，NTN东洋轴承公司于1984年推出了高速铣削磁力轴承转子、超高速磨削转子部件，并有己标准化的径向磁力轴承和轴向磁力轴承产品。

1995年日本精工精机公司在意大利国际机床博览会上展出了采用磁力轴承转子的机械加工中心MV-40B。

日本己将磁力轴承作为21世纪占主导地位的轴3承大力发展。

联邦德国在1983年初公布了编号为842066和842061磁力轴承两项专利。

1995年Okada 等人提出控制径向磁气隙的永磁同步型和感应型动力磁悬浮轴承。

日本的Satoshi Ueno 、瑞士的Reto Schob 研制出的人造心脏的血液泵,瑞士的Thomas Gempp 等人研制的化工用动力磁悬浮支承驱动的罐装电机泵。

Roto Schob 等人根据动力磁悬浮的特点将其用于生物反应器的泡沫反应堆上。

动力磁悬浮轴承在日本、瑞士等国家还广泛应用在机床主轴系统以及离心压缩机、分子涡流泵、通风机等大型设备上。

为了加速磁悬浮轴承技术的理论研究，各国之间也加强了技术交流。

1988年6月，在瑞士苏黎世召开了第一届国际磁力轴承学术会议。

会议就磁力轴承在空间技术、物理学、机器人、机床、真空泵等方面的理论研究与工业应用进行了广泛的交流。

会议商定以后每两年召开一次国际磁力轴承学术交流会。

1990年7月在日本东京大学召开了第二届国际磁力轴承学术会议，与第一次会议相比，这次会议涉及的应用范围更广、参加的国家更多。

到目前为止，己召开了八次国际会议，将磁悬浮轴承的理论研究与工业应用推向了高潮。

中国由上世纪80年代后期开始了磁悬浮列车关键技术研究，自90年代中期积极推进磁悬浮列车的发展，并于本世纪初引进德国成熟的高速磁悬浮系统Transrapid系统，同德国合作在上海浦东建设了世界上第一条商业运行的磁浮铁路[5]，全长30公里，连接浦东机场与龙阳车站，2002年12月31日该线路实现了试运行，其安全性和舒适性得到了验证。

我国对磁轴承的研究起步于80年代扩国防科技大学、清华大学、哈尔滨工业大学、天津大学、上海交通大学等均开展了相应的研究。

1994年，清华大学机电与控制实验室研制成功卧式五自由度磁轴承系统，转速高达53,200r/min,1997年成功进行了内圆磨削实验，1999年实现了数控，转速高达50,000r/min。

1996年，哈尔滨工业大学研制成功数控机床用高刚度磁力轴承主轴，主轴转速20，000r/min，磨头端部刚度20N/um,轴承处径向静刚度169N/u m，主轴运动误差小于25um[7]，目前，正致力于磁轴承卫星飞轮应用技术的研究。

同时，西安交通大学研制成功用于涡轮膨胀机的磁轴承系统。

但到目前为止，开发的多数产品还处于实验室阶段，而且在承载刚度和承载能力方面距离大规模应用还有一定距离。

国外磁轴承的价格十分昂贵，而且处于技术上保密的原因，不对国内进行小批量磁轴承的出售。

磁轴承能否产业化，其发展速度和水平关系着民族工业的前途，其市场潜力也非常巨大[8]。

41.3 磁悬浮控制方法的现状与发展趋势磁悬浮从技术实现的角度可以分为三类，即主动式、被动式与混合式磁悬浮技术。

主动磁悬浮技术即通过电磁力实现转子的可控悬浮；被动式的研究主要集中在永久磁铁低温超导的研究。

就目前工业应用角度而言，主动式磁悬浮技术与混合式磁悬浮技术占主体地位，主动式磁悬浮技术和混合式磁悬浮技术中的控制方法是其技术的核心，控制器的性能[9]直接决定了悬浮体的性能指标，例如精度、刚度、阻尼特性、抗干扰能力等。

所以在这类磁悬浮产品的设计中，高性能控制器的研究与设计成为生产高品质磁悬浮产品的关键。

以上问题都对磁悬浮系统的控制器提出了很高的要求，为此大量的研究集中在控制方法和控制手段上。

近年来，一些先进的现代控制理论方法在磁悬浮轴承上应用的研究也逐渐开展起来，但因为磁悬浮轴承的参数不确定性和非线性使得一些现代控制算法如最优控制无法达到预期的控制精度。

同时由于磁悬浮系统的实时性要求很高，对于很复杂的控制算法无法在工程上实现。

传统的工业控制较多采用应用成熟的PID控制器，通过对参数的选取，还可构成PI、PD控制器，PID控制器结构简单，调节方便，应用成熟，但是在高精度的磁悬浮技术中，由于系统的复杂性和磁场本身的非线性使得传统的PID 控制器不能完全满足工程需要。

近年来，随着工业水平的提高，很多先进控制方法应用到自动化领域[10]：1.非线性控制：非线性控制是复杂控制系统理论中的一个难点，对于磁悬浮系统在本质上是非线性的，目前大多数的控制方法是在平衡点附近线性化[56]得到近似的系统模型，再根据此模型设计控制器，但这样的控制方法并不能完全达到工程需要，有学者采用非线性状态反馈线性化[11] [13] [14][15]的方法进行控制器的设计，国外有学者[12]通过简化非线性电磁力学方程设计非线性控制器，并通过试验验证了控制器的可行性。