关键词：机电融合装备；机械结构；控制系统；协同

在高端装备转型升级背景下，机电融合装备呈现出高集成度与高动态性能发展特征，传统单独进行结构设计或控制设计的模式已难以满足系统稳定性提升的工程要求。复杂机械结构的柔性效应及多自由度耦合振动，对控制系统的实时性提出了更高要求，而先进控制策略促使协同优化，推动了机电融合装备的设计。本文构建了结构与控制一体化设计，并围绕参数协同设计及模型联合建模等优化方法，实现了装备整体动态性能的提升，推动了智能制造装备向高性能方向的发展。

1   机电融合装备的系统构成与协同机理

机电融合装备系统构成通常由机械本体及执行与传动单元等部分共同组成。其功能分工独立，在运行过程中根据能量与信息的耦合形成高度关联的整体，机械结构刚度特性与结构布局直接影响系统的动态响应，控制系统则依托传感反馈与控制算法对执行单元进行实时调节，二者需在多时间尺度与多物理场条件下形成协同机理。机械结构的固有频率与传动间隙会改变控制系统的控制裕度，而控制参数设置也影响结构受载状态，需在系统构成层面实现结构参数设计与控制逻辑配置整体统筹，以避免性能折中。根据耦合模型明确各子系统在动态性能与能效利用方面的作用，可实现机电融合装备的协同运行[1]。

2   机电融合装备中机械结构与控制系统协同优化

2.1   耦合参数提取

耦合参数提取需从运行状态数据中识别机械结构与控制系统之间的关键动态关联量，结合图1动态耦合关系，将装备视为由多个功能单元构成的耦合系统。其整体动力学行为由统一参数模型描述。

图1 动态耦合关系示意图

引入包含结构与控制耦合参数的等效动力学方程，对系统运行状态进行表达，如式（1）所示：

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

式中， M(0)为等效质量矩阵，  C(0)为等效阻尼矩阵， K(0)为等效刚度矩阵， u(t)为控制输入向量，为耦合参数向量，其变化直接反映图中各功能单元之间动态耦合强度演化特征。为实现耦合参数实时监测，引入扩展卡尔曼滤波方法，将耦合参数作为扩展状态进行在线估计。其核心更新关系可表示为式（2）：

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

式中，k为时刻k的耦合参数估计值，qk为时刻k的系统状态估计值， h()为非线性测量函数。系统根据传感器输出yk与模型预测结果之间的偏差，实时修正耦合参数估计值，使参数能够自适应调整，以准确刻画图中所示的动态耦合关系。

2.2   机控联合建模

该模型将机械结构动力学与控制链路在同一模型中闭合，机械侧提供受力-运动物理约束，控制侧由采样与执行器改变等效刚度与时延等表现，使系统呈现明显时变特征，并将联合模型写成“输出由回归向量驱动”的形式，把结构模态项及摩擦/间隙近似项等统一封装进回归向量，同时把需要在线跟踪的机控耦合参数（如等效柔度与阻尼系数等效项）并入参数向量，形成的联合辨识框架。实时监测引入递推最小二乘（RLS）带遗忘因子算法，用两条递推式同时完成参数更新与可信度调整，如式（3）～（5）所示：

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

其中，第一式用残差yk    k· k-l把“结构响应与控制作用不匹配”的信息直接反馈到中，使联合模型能够随工况变化自适应；第二式根据遗忘因子λ  (0, 1]强调新数据权重， 并用pk刻画参数不确定度。当出现刚度下降与阻尼漂移等情况时，  Kk相应调整更新幅度，实现机控联合模型的在线校准，为后续协同优化提供了参数基准[2]。

2.3   结构刚度配置

结构刚度配置需满足承载要求下合理分配结构各部位刚度水平，使系统整体动态特性与控制系统性能形成良性匹配。机械结构刚度直接影响系统固有频率分布，同时与控制系统稳定裕度与抑振能力有关。若结构刚度不足易引发低频振动，导致控制指令放大，局部刚度配置失衡会造成应力集中，增加控制系统补偿负担，因此结构刚度配置需实现与控制目标协调的整体设计。协同优化视角下，结构刚度配置应围绕框架与导轨等关键部位进行分区分析，明确哪些部位承担精度保持功能与能量传递等功能，对精度敏感部位应优先保证足够局部刚度，以减小控制过程中的位姿误差，对易受激振影响的部位引入适度柔化结构，配合控制系统实现振动抑制，使结构具备被动调节能力以降低对控制系统的依赖。同时结构刚度配置应充分考虑控制系统的带宽特性，避开控制频段以减少结构动力学的干扰。具体实施中需结合结构参数调整及截面优化等手段，对刚度分布进行细化设计，并结合试验进行修正，以适应控制系统的运行需求。

2.4   控制带宽匹配

机电融合装备运行过程中存在多阶动态特性，机械结构固有频率与阻尼水平等决定了系统可稳定工作的频率范围，而控制系统的带宽则直接影响指令响应速度。控制带宽若设置过高，控制指令变化易激发结构振动导致控制精度下降；若设置过低则系统响应迟缓，影响装备工作效率，因此控制带宽匹配需要在结构特性约束下进行合理配置。实际工程中控制带宽匹配应以机械结构低阶模态特性作为依据，以避免控制系统工作频段发生重叠。分析结构动态特性以明确其安全工作频域范围，再结合控制系统调节需求对控制器参数进行分级配置，使快速调节环节集中作用于响应能力较强的运动方向，而对柔性较大的方向则采用相对保守的带宽设置实现平衡。同时还应关注执行器与传感环节对带宽的限制，避免理论带宽与实际效果不一致。控制带宽匹配应与结构设计及刚度配置形成联动，在结构刚度较高条件下适度提高带宽，以提升响应速度。当结构柔性不可避免时采用带宽约束等方式降低高频控制作用，以减少不利激励，并以双向调整实现系统整体性能的提升。在复杂工况下控制带宽还需根据载荷变化调整带宽范围，使控制策略始终处于结构允许的区间内[3]。

2.5   多目标优化求解

多目标优化求解可在多个相互制约的性能指标之间寻求合理平衡。机电融合装备中结构刚度及系统质量等目标，通常同时存在且彼此冲突，如提高结构刚度会导致控制负担加重，扩大控制带宽可改善响应性能，但会引入振动放大等问题，因此其优化需从系统整体出发，对不同目标进行综合权衡。如图2所示，曲线所形成的Pareto前沿反映多目标间无法同时改进的最优解集合，前沿上的任一点都代表一种性能折中状态。

图2 多目标优化求解曲线图

实际工程中协同优化需结合装备功能需求与工况特点， 从Pareto前沿中选择最具工程可行性的折中解，根据多目标优化求解识别结构参数与控制参数组合对性能的影响，避免性能偏置。同时，还能够直观揭示不同优化目标之间的冲突关系。其在机电融合装备协同设计过程中可将多目标优化结果与工程约束条件结合，以实现结构安全性与控制稳定性的协调[4]。

3   机电融合装备协同优化案例分析

3.1   案例背景

某高速精密直线运动机电融合装备广泛应用于自动化加工与装配场景，对定位精度与动态响应速度等要求较高。原有系统在高加速度运行工况下易出现结构振动放大与控制超调明显等问题，表现为定位时间延长与重复定位精度波动加剧。经分析，发现其根本原因在于机械结构刚度分布与控制带宽设置缺乏协同考虑，结构低阶模态频率接近带宽上限导致结构振动与控制调节耦合。

3.2   优化措施

项目采用机电融合协同优化进行改进， 根据耦合参数提取与机控联合建模识别出导轨支撑区域为关键柔性环节，随后针对结构刚度，在不显著提高整体质量的情况下，根据局部加劲与结构布局优化进行配置，以提高关键方向等效刚度，使系统一阶模态频率整体上移。同时结合更新后的结构动态特性对控制系统闭环带宽进行匹配调整，适度降低高频增益以增强阻尼调节能力，避免进入结构敏感频段，随后采用多目标优化方法，在定位时间与稳态误差等指标约束下，选取综合性能最优的参数组合。

3.3   成效分析

协同优化后， 装备在高速运行下的动态性能与控制稳定性得到改善。为直观反映技术应用前后的成效对关键性能指标进行对比，结果如表1所示。

表1 机电融合装备协同优化前后性能对比

从表1数据可以看出，机电融合协同优化对关键部位结构刚度进行针对性配置，装备一阶模态频率由48Hz提升至62Hz，以削弱结构振动与控制作用的不利耦合， 使最大振动位移降低约48%， 并结合控制带宽匹配与参数协同整定增强了系统动态响应能力，定位时间缩短34%，超调量下降55%，表明控制过程更加平稳。同时稳态定位误差由6.2μm降至3.1μm，重复精度提升满足运行需求，动态性能与控制精度同步提升时单次运行能耗仍下降约8%，说明协同优化避免了能耗增加问题[5]。

4   结束语

综上所述， 本研究从系统构成与耦合机理出发， 根据耦合参数提取与机控联合建模明确了结构参数与控制行为的内在联系，据此统筹实施结构刚度配置与控制带宽匹配，并引入多目标优化方法实现了多性能指标下参数协同求解。工程应用表明，协同优化方案在振动抑制与响应速度等方面均具有明显成效，机电融合装备协同优化应根据参数识别与联合建模等的连续实施实现性能提升，研究结论可为复杂机电融合装备的运行优化提供实践参考。

作者简介：

颜敏波（1986-），男，浙江台州人，中级工程师，学士，现就职于杭州德创电子股份有限公司，研究方向为机械设计制造及其自动化。

参考文献：

[1] 龚芳洁, 刘文双, 庹成艺, 等. 基于AI 4.0的滤膜切割机械臂的机械结构及控制系统的设计研究[J]. 佳木斯大学学报(自然科学版), 2025, 43 (08) : 75 - 78.

[2] 郎需强, 孙巍伟, 王通. 一种仓储货物拣选机器人机械结构及其控制系统设计[J]. 机床与液压, 2025, 53 (09) : 38 - 43.

[3] 岳杨腾飞, 马光强, 殷辉. 智能型变电站二次保护柜搬运器的机械结构与控制系统研究[J]. 电力设备管理, 2025, (01) : 256 - 258.

[4] 薛俊昊, 刘金南. 无人机动力系统机械结构优化设计及加工精度控制研究[J]. 造纸装备及材料, 2024, 53 (12) : 10 - 12.

[5] 张铭. 节能环保型切割机的机械结构及控制系统设计[J]. 南方农机, 2024, 55 (19) : 141 - 143 + 147.

摘自《自动化博览》2026年3月刊