高速发展的现代工业对旋转机械设备的性能要求不断提高,而传统机械轴承受到轴承磨损的限制,难以保证较好的使用效果,已经无法满足实际需求。磁悬浮轴承具有耐高温、无摩擦、功耗低、转子稳定性好等突出优势,广泛应用于磁悬浮压缩机、高速电机等设备。但是磁悬浮轴承系统存在明显的非线性机电耦合和开环不稳定性,对其控制系统的设计提出了很高的要求。控制系统是影响磁悬浮轴承性能的重要环节,主要由控制算法和控制器组成,控制算法是最核心的部分,优秀的控制算法对于磁悬浮轴承的动态特性和稳定性至关重要。经典的整数阶PID控制算法实现容易,结构简单,但是控制精度不高,不能处理复杂的转子动力学问题。分数阶PID控制算法作为整数阶PID的普遍形式,在保证算法结构简单的同时设计更为灵活,理论上具备更高的控制精度和更好的鲁棒性。本文将分数阶PID算法与磁悬浮轴承控制系统结合,充分满足多自由度磁悬浮转子系统的控制需求,设计出基于分数阶PID的磁悬浮轴承控制器,并对其进行了系统的分析研究。本文的主要研究内容如下:1.从磁悬浮轴承结构和控制模型入手,分析了单自由度磁悬浮控制系统工作原理。给出了控制系统所用传感器和功率放大器的选择与设计过程,得到了其准确传递函数。对磁悬浮转子系统进行了受力分析,得到了四自由度磁悬浮刚性转子状态空间模型。2.介绍了分数阶微积分的三种主流定义及其性质,对分数阶控制系统的稳定性进行了详细研究,提出了判断系统稳定性的五个主要指标,阐述了分数阶PID的几种参数整定方法,详细分析了五个控制参数取值变化对于控制器性能的影响。3.利用分数阶PID模块和四自由度刚性转子状态空间模型建立了控制器Simulink仿真模型,采用量子粒子群算法对分数阶PID控制器的参数进行了整定,根据仿真结果得出一组最优控制参数。研究了磁悬浮轴承转子起浮特性,在转子静态悬浮状态基础上对两种控制器的抗干扰性能进行了全面的对比。4.在所设计磁悬浮轴承分数阶PID控制器基础上搭建了四自由度磁悬浮转子实验平台,完成了转子的起浮、静态悬浮、升转速等实验,对分数阶PID控制器控制下的转子悬浮刚度进行了完整测试,对高转速情况下PID控制算法和分数阶PID控制算法的控制效果进行了对比。对仿真和实验结果进行详细分析后得出结论:相比整数阶PID控制算法,应用在磁悬浮轴承上的分数阶PID控制算法具有更高的控制精度和抗干扰性能,能够有效保证磁悬浮转子系统的稳定运行。