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9.3 系统调试与故障排除：起浮调试、PID参数现场整定、常见振荡问题分析与解决

磁悬浮轴承系统的调试是将理论设计、仿真模型和硬件平台转化为稳定可靠运行设备的决定性环节。这一过程是理论与实践的交汇点，要求工程师不仅深刻理解系统原理，还需具备敏锐的观察力、系统化的思维和严谨的操作方法。调试的核心目标是安全地实现转子稳定悬浮，并优化控制系统参数以达到预期的动静态性能，同时快速诊断并排除运行中出现的各类故障。本节将围绕起浮调试、PID参数现场整定以及常见振荡问题分析三大核心内容，构建一套系统化的工程调试与故障排除方法。

9.3.1 起浮调试

起浮调试是磁悬浮轴承系统的首次带电运行，目标是使转子从机械保护轴承上平稳、受控地升起，并稳定悬浮在预设的几何中心位置。这是验证硬件连接、传感器极性、控制逻辑正确性的关键步骤，必须谨慎进行。

9.3.1.1 调试前准备与安全检查

1. 前提条件确认：

   • 机械系统：确认所有紧固件已锁紧，保护轴承间隙已按设计要求调整，转子可手动灵活盘动且无卡滞。
   • 电气系统：所有电源连接、传感器电缆、功率电缆接线已完成复查，极性正确。接地系统已按9.1节要求可靠连接。
   • 控制系统：控制器程序已烧录，初步的PID参数（通常为仿真或经验值）已载入。所有安全连锁（如急停、过流、超温保护）功能已验证有效。
   • 传感器标定：所有位移传感器的“零位”（即转子处于机械中心时的输出电压）和灵敏度已在控制器中正确设置。一种验证方法是手动缓慢盘动转子，在控制器界面观察各通道位移读数是否平滑、连续且方向与物理运动一致。

2. 安全规程：

   • 清场并与所有人员沟通调试步骤。
   • 准备急停按钮，并确保其功能有效。
   • 首次起浮时，控制器的目标位置指令（给定值）应设置为使转子从保护轴承上升起的最小值（如0.5倍额定气隙），而非直接设为额定气隙中心，以降低冲击风险。

9.3.1.2 分步起浮流程

对于多自由度系统，应采用“分通道、分步”的起浮策略，尤其是对于刚性转子或存在显著重力方向的轴向轴承。

1. 单自由度试探：

   • 首先，仅使能一个自由度（如竖直方向的径向自由度或轴向自由度）的控制回路，其余自由度的控制输出强制为零或保持一个很小的偏置。
   • 缓慢增大该通道的比例增益KpK_pKp​，直至能观察到转子在该方向上有明显的“活化”现象（轻微抖动或尝试抬起），但尚未完全悬浮。此过程可验证该通道的传感器、功放、电磁铁工作环路是否正常，以及控制力的方向是否正确（方向错误会导致转子被压向保护轴承）。

2. 静态悬浮建立：

   • 在确认单通道方向正确后，逐步同时使能所有自由度的控制回路。
   • 采用“软启动”策略：控制器输出的初始目标位置设定在转子当前静止位置（通常在保护轴承上），然后以非常低的速度（如1-5 μm/s）将目标位置“滑动”至几何中心位置。此举可避免对转子产生阶跃指令，防止因参数不佳导致的猛烈冲击或失稳。
   • 观察各通道位移和电流。成功的起浮表现为：转子平稳离开保护轴承，各方向位移逐渐收敛至目标值附近，稳态控制电流与理论计算的重力/偏置电流基本相符。

3. “着陆”与重复测试：

   • 首次悬浮稳定后，应有意识地进行“着陆”（即控制转子缓慢落回保护轴承）和再次“起浮”的重复操作2-3次。这可以检验系统在状态切换时的稳定性和重复性，暴露可能存在的间歇性接触或控制逻辑缺陷。

9.3.2 PID参数现场整定

尽管基于模型的设计或仿真可以提供初始PID参数，但实际系统的未建模动态（如电缆电感、结构共振、涡流效应）使得现场整定必不可少。现场整定的目标是使系统具有足够的稳定裕度、满意的动态响应速度和对扰动的抑制能力。

9.3.2.1 基于试凑法与工程准则的整定

对于磁悬浮轴承这种开环不稳定的系统，经典的开环整定方法（如Ziegler-Nichols法）风险较高，更推荐在闭环下进行谨慎的试凑，并遵循以下准则：

1. 整定顺序：通常按照KpK_pKp​→KdK_dKd​→KiK_iKi​的顺序进行。

   • 比例增益KpK_pKp​：首先在保证稳定的前提下，尽可能增大KpK_p