以压电陶瓷驱动器作为动力输入的快速伺服刀架具有输出力大和高频率响应的优点。压电陶瓷驱动器固有的迟滞现象严重影响了快速伺服刀架的输出定位精度。为解决此问题，通过引入归一化Bouc-Wen模型建立前馈控制补偿器，归一化Bouc-Wen模型解决了经典Bouc-Wen模型中存在的参数冗余问题。获得模型参数后，基于其逆模型搭建了前馈补偿器，并在搭建的实验平台上进行了单/双自由度轨迹跟踪性能测试。实验结果表明，对于等幅正弦波信号，经前馈控制环节补偿下快速伺服刀架的最大轨迹跟踪误差为1, 18%，最大轨迹跟踪偏差为2, 61%，证明该文所提出的前馈控制补偿器能提高快速伺服刀架的定位精度。

快速伺服刀架能够提供精确、快速的微纳米级运动。为了获得双向和二维运动, 该文研制了一种双向压电驱动的二维快速伺服刀架。该刀架采用对称结构设计, 结合柔顺放大机构和位移解耦机构, 末端执行机构实现较大的输出位移, 同时减小耦合位移。基于伪刚体模型, 建立快速伺服刀架的静力学和动力学模型, 得到机构的输出位移、输出耦合比、最大应力和固有频率。通过有限元仿真验证了模型的正确性。最后, 采用电火花线切割加工快速伺服刀架原型样机, 并搭建了实验测试系统。实验结果表明, 快速伺服刀架在x、y方向的位移放大率分别为3.56和3.57; 输出耦合误差分别为1.26%和1.00%, 装配压电陶瓷驱动器后系统在x、y方向的一阶固有频率均是270 Hz, 系统动态性能良好。

针对微纳操控技术对微动平台提出的大行程、高精度、多自由度和输出位移解耦等要求，设计了一种基于两级放大机构的xy两自由度双向驱动微动平台。分析了微动平台的运动及放大原理，建立了微动平台结构的理论模型和有限元模型，并对其进行了测试。平台输出特性测试结果表明，微动平台的放大倍数可达8.5倍，与仿真值误差为6.9%，同时耦合位移控制在0.82%内；平台在150 V三角波信号驱动下，x方向上正、负向输出位移分别为84.6 μm、-84.2 μm；y方向上正、负向输出位移分别为85.0 μm、-84.5 μm。不同频率下的最大位移只在极小范围内波动，在x、y方向的正、负向输出具有很高的相似性和稳定性，实现了双向驱动，大行程、高精度的目的。

在诸多需要对光斑质心进行定位的领域里, 光斑质心定位的精确性和稳定性都是至关重要的。根据光学系统对物体边缘的模糊原理, 提出一种新的光斑中心提取算法。该算法是以反正切函数为基函数, 通过对其变量代换从而得到可以拟合光斑灰度分布的函数。求解过程中首先通过高斯-牛顿法进行迭代, 然后再通过最小二乘法进行最优解估计。文中先通过仿真分析, 对比了文中算法与传统算法的优劣, 进一步通过实验验证该方法相对于传统方法的优势。实验结果表明: 基于文中算法光斑质心提取精度为0.125 3个像素; 此时角度传感器的测角精度为0.172 3″, 优于传感器技术要求的0.25″。文中算法对噪声、对比度、光斑的长宽比和大小的综合性能优于传统算法, 实验结果稳定可靠, 满足角度传感器使用要求。

针对拼接镜面望远镜主动光学控制技术的要求, 设计了一种改进型自抗扰控制器以改善位移促动器系统的位置跟踪性能和提高抗扰动能力。首先, 建立了拼接镜面位移促动器系统及扰动风载的数学模型; 设计了改进型自抗扰控制器, 并给出了控制器参数选择的方法。其次, 对位移促动器控制系统进行了仿真分析, 验证了控制器的可行性。最后, 利用风载扰动模拟装置, 在位移促动器系统中引入扰动, 并对比改进型自抗扰控制器与线性自抗扰控制器以及PID控制器控制性能。实验结果表明, 改进型自抗扰控制器系统阶跃跟踪的稳定时间为201 ms, 稳态均方差为7.1 nm, 无超调; 风载干扰实验中, 改进型ADRC的最大偏差值为38.8 nm, 稳态均方差为7.6 nm, 改进型ADRC的性能明显优于线性自抗扰控制器和PID控制器, 对提高位移促动器系统的性能有较高的实用性。

考虑目前应用压电陶瓷驱动器的伺服刀架只能提供单向驱动力, 设计了一种基于双压电陶瓷驱动器的快速伺服刀架。涉及的两个压电陶瓷驱动器分别为刀具的进给和回复提供驱动力, 其呈对称布置, 用于有效提高刀架的整体刚度。为了对两个压电陶瓷驱动器进行联动协调控制, 建立了PI迟滞模型和其逆模型, 并设计了相应的联动协调控制方法。利用PI逆模型作为PID反馈控制的前馈环节构成复合控制用于调节快速伺服刀架的输出位移。实验验证了新型快速伺服刀架的响应频率、响应时间、位移响应特性和定位精度。结果显示: 新型快速伺服刀架的响应频率为871.86 Hz, 响应时间为0.000 45 s; 三角波信号的最大定位误差为3.366 1 μm, 误差百分数为7.63%, 平均绝对误差为0.698 0 μm, 误差百分数为1.58%; 正弦波信号的最大定位误差为3.244 4 μm, 误差百分数为7.67%, 平均绝对误差为0.930 9 μm, 误差百分数为2.20%。

针对新疆奇台110 m射电望远镜主动反射面控制技术的要求, 设计和研制了一种新型的位移促动器和位移控制系统, 并采用双频激光干涉仪对多个位移促动器及其控制系统进行了全面检测。位移促动器采用了基于涡轮蜗杆加滚珠丝杆的高精度结构设计方案, 控制器系统采用了ARM微处理器。最后选择S曲线加速控制方法, 设计了主动反射面控制系统硬件平台和软件算法。基于双频激光干涉仪和光学隔振平台在恒温超洁净条件下进行了系列测试。结果表明: 系统实现了行程范围为30 mm, 控制精度为5 μm RMS的快速精密控制; 在额定负载300 kg, 步长2 mm, 行程30 mm范围内, 实测结果平均值与理论值偏差为0.04%, 标准偏差为3.67 μm。最后, 采用测量精度为0.25 μm的激光传感器对4块四点支撑的四边形子面板进行了验证检测。结果显示: 经多次迭代后主动反射面控制闭环系统的控制精度小于5 μm RMS, 远远优于3 mm波段射电望远镜主动反射面控制的技术要求。

根据薄镜面主动光学存在的实际问题, 提出了通过音圈电机对主镜镜面变形进行非接触面型校正的方法。讨论了音圈电机工作原理, 基于音圈电机设计了一种非接触、高线性、体积小且控制方便的力促动器, 并对其进行了仿真分析和实验验证。对常见类型力促动器结构进行对比, 根据应用特点和音圈电机原理设计了该力促动器的总体结构, 建立了物理模型与数学模型, 根据应用要求提出了参数指标。最后, 进行了实验验证。实验结果表明, 该音圈力促动器是一个非接触式高线性系统, 输出力可达±0.5 N, 在此范围内, 线性度小于0.09%。

应用激光扫描共聚焦显微镜研究了油杉小孢子的发生过程.油杉样品经曙红-Hoechst 33342双染和冬青油透明后,分别以UV、488 nm激光进行单扫描或系列扫描,并对系列扫描图像进行三维重建.观察结果表明,LSCM图像更能清晰地展示油杉花粉母细胞减数分裂的过程.粗线期染色体密集并缠绕成一团,占据核的一部分,核仁靠在这一团染色体的一边;减数分裂存在扩散双线期;在减数分裂过程中胞质分裂为同时型.观察到中期Ⅰ、Ⅱ形成的纺锤体和四分体时期胼胝质壁的沉积等.研究结果表明,曙红-Hoechst 33342双染法可用于花粉发育阶段的鉴定,LSCM是研究花粉生物学的理想工具.研究为探究其濒危机制提供有意义资料,为其保护生物学和系统分类学提供胚胎学依据.

为更直观地观察和显示花粉和花粉管中细胞结构及其细胞核的状态与行为.雪松花粉和花粉管经卡诺液固定,分别以埃氏苏木精、曙红、Hoechst 33243单染和曙红-Hoechst 33342双染后,用冬青油整体透明,在激光扫描共聚焦显微镜下观察.4种染色法观察效果不同;以曙红-Hoechst 33342双染的样品观察效果最佳,在紫外光激发下清晰地显示出细胞核,在488 nm激光激发下不仅能清晰看到花粉和花粉管壁结构,且能分辨管细胞、柄细胞及体细胞的结构特点和空间位置关系.建立了一种快速简便的适于在激光扫描共聚焦显微镜下观察花粉和花粉管中成员细胞结构及其细胞核的状态、行为的制片技术;激光扫描共聚焦显微镜具有独特的共轭成像装置、连续光学扫描、图像三维重组和多通道检测等功能,极好地展示了雪松花粉和花粉管的结构特点,相比于传统的光?晕⒕岛陀庀晕⒕?其观察到的图像更清晰、更直观、更具立体感.