關鍵詞：機電融合裝備；機械結構；控制系統；協同

在高端裝備轉型升級背景下，機電融合裝備呈現出高集成度與高動態性能發展特征，傳統單獨進行結構設計或控制設計的模式已難以滿足系統穩定性提升的工程要求。復雜機械結構的柔性效應及多自由度耦合振動，對控制系統的實時性提出了更高要求，而先進控制策略促使協同優化，推動了機電融合裝備的設計。本文構建了結構與控制一體化設計，并圍繞參數協同設計及模型聯合建模等優化方法，實現了裝備整體動態性能的提升，推動了智能制造裝備向高性能方向的發展。

1   機電融合裝備的系統構成與協同機理

機電融合裝備系統構成通常由機械本體及執行與傳動單元等部分共同組成。其功能分工獨立，在運行過程中根據能量與信息的耦合形成高度關聯的整體，機械結構剛度特性與結構布局直接影響系統的動態響應，控制系統則依托傳感反饋與控制算法對執行單元進行實時調節，二者需在多時間尺度與多物理場條件下形成協同機理。機械結構的固有頻率與傳動間隙會改變控制系統的控制裕度，而控制參數設置也影響結構受載狀態，需在系統構成層面實現結構參數設計與控制邏輯配置整體統籌，以避免性能折中。根據耦合模型明確各子系統在動態性能與能效利用方面的作用，可實現機電融合裝備的協同運行[1]。

2   機電融合裝備中機械結構與控制系統協同優化

2.1   耦合參數提取

耦合參數提取需從運行狀態數據中識別機械結構與控制系統之間的關鍵動態關聯量，結合圖1動態耦合關系，將裝備視為由多個功能單元構成的耦合系統。其整體動力學行為由統一參數模型描述。

圖1 動態耦合關系示意圖

引入包含結構與控制耦合參數的等效動力學方程，對系統運行狀態進行表達，如式（1）所示：

M(0)q(t) +c(0)q(t)+k(0)q(t) = Bu(t)  （1）

式中， M(0)為等效質量矩陣，  C(0)為等效阻尼矩陣， K(0)為等效剛度矩陣， u(t)為控制輸入向量，為耦合參數向量，其變化直接反映圖中各功能單元之間動態耦合強度演化特征。為實現耦合參數實時監測，引入擴展卡爾曼濾波方法，將耦合參數作為擴展狀態進行在線估計。其核心更新關系可表示為式（2）：

k = k    +kk (yk    h(qk , k    ))         （2）

式中，k為時刻k的耦合參數估計值，qk為時刻k的系統狀態估計值， h()為非線性測量函數。系統根據傳感器輸出yk與模型預測結果之間的偏差，實時修正耦合參數估計值，使參數能夠自適應調整，以準確刻畫圖中所示的動態耦合關系。

2.2   機控聯合建模

該模型將機械結構動力學與控制鏈路在同一模型中閉合，機械側提供受力-運動物理約束，控制側由采樣與執行器改變等效剛度與時延等表現，使系統呈現明顯時變特征，并將聯合模型寫成“輸出由回歸向量驅動”的形式，把結構模態項及摩擦/間隙近似項等統一封裝進回歸向量，同時把需要在線跟蹤的機控耦合參數（如等效柔度與阻尼系數等效項）并入參數向量，形成的聯合辨識框架。實時監測引入遞推最小二乘（RLS）帶遺忘因子算法，用兩條遞推式同時完成參數更新與可信度調整，如式（3）～（5）所示：

k = k    +kk(yk    k· k   )            （3）

其中，第一式用殘差yk    k· k-l把“結構響應與控制作用不匹配”的信息直接反饋到中，使聯合模型能夠隨工況變化自適應；第二式根據遺忘因子λ  (0, 1]強調新數據權重， 并用pk刻畫參數不確定度。當出現剛度下降與阻尼漂移等情況時，  Kk相應調整更新幅度，實現機控聯合模型的在線校準，為后續協同優化提供了參數基準[2]。

2.3   結構剛度配置

結構剛度配置需滿足承載要求下合理分配結構各部位剛度水平，使系統整體動態特性與控制系統性能形成良性匹配。機械結構剛度直接影響系統固有頻率分布，同時與控制系統穩定裕度與抑振能力有關。若結構剛度不足易引發低頻振動，導致控制指令放大，局部剛度配置失衡會造成應力集中，增加控制系統補償負擔，因此結構剛度配置需實現與控制目標協調的整體設計。協同優化視角下，結構剛度配置應圍繞框架與導軌等關鍵部位進行分區分析，明確哪些部位承擔精度保持功能與能量傳遞等功能，對精度敏感部位應優先保證足夠局部剛度，以減小控制過程中的位姿誤差，對易受激振影響的部位引入適度柔化結構，配合控制系統實現振動抑制，使結構具備被動調節能力以降低對控制系統的依賴。同時結構剛度配置應充分考慮控制系統的帶寬特性，避開控制頻段以減少結構動力學的干擾。具體實施中需結合結構參數調整及截面優化等手段，對剛度分布進行細化設計，并結合試驗進行修正，以適應控制系統的運行需求。

2.4   控制帶寬匹配

機電融合裝備運行過程中存在多階動態特性，機械結構固有頻率與阻尼水平等決定了系統可穩定工作的頻率范圍，而控制系統的帶寬則直接影響指令響應速度。控制帶寬若設置過高，控制指令變化易激發結構振動導致控制精度下降；若設置過低則系統響應遲緩，影響裝備工作效率，因此控制帶寬匹配需要在結構特性約束下進行合理配置。實際工程中控制帶寬匹配應以機械結構低階模態特性作為依據，以避免控制系統工作頻段發生重疊。分析結構動態特性以明確其安全工作頻域范圍，再結合控制系統調節需求對控制器參數進行分級配置，使快速調節環節集中作用于響應能力較強的運動方向，而對柔性較大的方向則采用相對保守的帶寬設置實現平衡。同時還應關注執行器與傳感環節對帶寬的限制，避免理論帶寬與實際效果不一致。控制帶寬匹配應與結構設計及剛度配置形成聯動，在結構剛度較高條件下適度提高帶寬，以提升響應速度。當結構柔性不可避免時采用帶寬約束等方式降低高頻控制作用，以減少不利激勵，并以雙向調整實現系統整體性能的提升。在復雜工況下控制帶寬還需根據載荷變化調整帶寬范圍，使控制策略始終處于結構允許的區間內[3]。

2.5   多目標優化求解

多目標優化求解可在多個相互制約的性能指標之間尋求合理平衡。機電融合裝備中結構剛度及系統質量等目標，通常同時存在且彼此沖突，如提高結構剛度會導致控制負擔加重，擴大控制帶寬可改善響應性能，但會引入振動放大等問題，因此其優化需從系統整體出發，對不同目標進行綜合權衡。如圖2所示，曲線所形成的Pareto前沿反映多目標間無法同時改進的最優解集合，前沿上的任一點都代表一種性能折中狀態。

圖2 多目標優化求解曲線圖

實際工程中協同優化需結合裝備功能需求與工況特點， 從Pareto前沿中選擇最具工程可行性的折中解，根據多目標優化求解識別結構參數與控制參數組合對性能的影響，避免性能偏置。同時，還能夠直觀揭示不同優化目標之間的沖突關系。其在機電融合裝備協同設計過程中可將多目標優化結果與工程約束條件結合，以實現結構安全性與控制穩定性的協調[4]。

3   機電融合裝備協同優化案例分析

3.1   案例背景

某高速精密直線運動機電融合裝備廣泛應用于自動化加工與裝配場景，對定位精度與動態響應速度等要求較高。原有系統在高加速度運行工況下易出現結構振動放大與控制超調明顯等問題，表現為定位時間延長與重復定位精度波動加劇。經分析，發現其根本原因在于機械結構剛度分布與控制帶寬設置缺乏協同考慮，結構低階模態頻率接近帶寬上限導致結構振動與控制調節耦合。

3.2   優化措施

項目采用機電融合協同優化進行改進， 根據耦合參數提取與機控聯合建模識別出導軌支撐區域為關鍵柔性環節，隨后針對結構剛度，在不顯著提高整體質量的情況下，根據局部加勁與結構布局優化進行配置，以提高關鍵方向等效剛度，使系統一階模態頻率整體上移。同時結合更新后的結構動態特性對控制系統閉環帶寬進行匹配調整，適度降低高頻增益以增強阻尼調節能力，避免進入結構敏感頻段，隨后采用多目標優化方法，在定位時間與穩態誤差等指標約束下，選取綜合性能最優的參數組合。

3.3   成效分析

協同優化后， 裝備在高速運行下的動態性能與控制穩定性得到改善。為直觀反映技術應用前后的成效對關鍵性能指標進行對比，結果如表1所示。

表1 機電融合裝備協同優化前后性能對比

從表1數據可以看出，機電融合協同優化對關鍵部位結構剛度進行針對性配置，裝備一階模態頻率由48Hz提升至62Hz，以削弱結構振動與控制作用的不利耦合， 使最大振動位移降低約48%， 并結合控制帶寬匹配與參數協同整定增強了系統動態響應能力，定位時間縮短34%，超調量下降55%，表明控制過程更加平穩。同時穩態定位誤差由6.2μm降至3.1μm，重復精度提升滿足運行需求，動態性能與控制精度同步提升時單次運行能耗仍下降約8%，說明協同優化避免了能耗增加問題[5]。

4   結束語

綜上所述， 本研究從系統構成與耦合機理出發， 根據耦合參數提取與機控聯合建模明確了結構參數與控制行為的內在聯系，據此統籌實施結構剛度配置與控制帶寬匹配，并引入多目標優化方法實現了多性能指標下參數協同求解。工程應用表明，協同優化方案在振動抑制與響應速度等方面均具有明顯成效，機電融合裝備協同優化應根據參數識別與聯合建模等的連續實施實現性能提升，研究結論可為復雜機電融合裝備的運行優化提供實踐參考。

作者簡介：

顏敏波（1986-），男，浙江臺州人，中級工程師，學士，現就職于杭州德創電子股份有限公司，研究方向為機械設計制造及其自動化。

參考文獻：

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[3] 岳楊騰飛, 馬光強, 殷輝. 智能型變電站二次保護柜搬運器的機械結構與控制系統研究[J]. 電力設備管理, 2025, (01) : 256 - 258.

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摘自《自動化博覽》2026年3月刊