自适应光学技术可以对大气湍流造成的波前误差进行实时校正，是实现大型地基望远镜高分辨率成像的关键技术。随着望远镜口径不断增大，自适应光学系统的校正单元数达到千单元量级。首先从自动控制角度建立了自适应光学系统各电控环节的等效模型，分析了系统延时对控制环节性能的影响。然后介绍了自适应光学电控环节中高压驱动系统的设计问题，从自动控制角度分析了自适应光学系统对高压放大器闭环带宽的需求，给出了分析结果。最后报道了千单元级自适应光学高压驱动系统的集成和测试工作。实验结果表明：本文所设计的高压放大器可以实现120 V输出，-3 dB带宽达到5 000 Hz，所设计的高压驱动系统经过集成后，利用湍流屏等效模拟60 Hz格林伍德频率，校正后的波前残差均值为0.16λ，可以实现千单元级压电变形镜的校正控制。

受自身重力、温度、不同工况下的外部干扰等影响，大望远镜主镜自由状态下位姿会产生巨大变化，导致后端光路不能对准，高分辨率成像质量下降，甚至图像飞出靶面。为消除主镜位姿变化对成像质量带来的影响，本文采用新型高精度电液控制系统对大望远镜主镜位姿进行控制。首先建立望远镜主镜位姿解算模型，分析主镜姿态变化原理；其次采用五个分区的多电机电液控制系统实现主镜姿态主动控制，建立各分区的液压控制系统模型，利用基于望远镜俯仰轴运动时位置误差的多元线性拟合前馈控制（EEFC）及线性自抗扰控制方法（LADRC）进行主镜位姿控制；最后进行测试，结果表明：4 m望远镜俯仰轴匀速运动时，可将主镜Z向平移精度从91.5 μm提升到0.5 μm，偏转角度精度从3 arcsec提升到0.05 arcsec。在1.2 m望远镜俯仰轴变速运动时，可将主镜Z向平移精度从5.04 μm提升至0.2 μm，角度偏移精度从0.65 arcsec提升到0.05 arcsec。在主镜上施加多点力促动器驱力时，主镜Z向位移精度从12.2 μm提升到2 μm内，角度偏移精度从1 arcsec提升到0.03 arcsec。通过测试验证，该控制系统可有效实现主镜光轴稳定，有效保证后端光路的对准与高分辨率自适应成像。

为了提高永磁同步电机控制系统电流环控制器的性能，降低模型参数失配对控制系统的影响，提出了基于高斯过程参数辨识的永磁同步电机有限集模型预测电流控制策略（FCS-GPMPC）。首先，介绍了永磁同步电机电流预测模型并分析了模型参数失配对系统性能的影响；其次，为简化一般机器学习参数辨识算法中超参数复杂的调试过程，提出了一种基于高斯过程的模型参数的辨识方法；同时，引入预测值的置信区间作为参数预测效果的实时评估参考；最后，将高斯过程参数辨识与基于模型的有限集模型预测电流控制（FCS-MPC）相结合，在得到准确辨识的参数后对系统电流预测模型更新以提高系统鲁棒性和电流环跟踪性能。实验结果显示：在本文训练数据的统计特征下，测试数据均方根误差RMSE为0.002 1，R2达到0.99。在参数波动条件下，与FCS-MPC相比，FCS-GPMPC策略下电流波动度降低了30.5%，电流平均偏移度降低了19.6%，另外对参考电流的阶跃变化，FCS-GPMPC有更好的动态响应。实验结果表明，基于高斯过程的模型预测控制方法可有效抑制模型失配对控制系统的影响，能够提高永磁同步电机控制系统电流控制器性能。

星地量子通信传输距离长，卫星与地面存在相对运动，提高了对量子跟踪仪的跟踪性能要求。为了提高星地量子通信的跟踪精度，降低量子通信的误码率，本文对量子跟踪仪的跟瞄控制系统展开研究，并对影响跟踪精度的总扰动进行补偿。首先，介绍了星地量子通信链路、量子通信过程及其影响因素。接着，搭建了量子跟踪仪的运动数学模型。基于跟踪仪的数学模型，设计并提出自抗扰模型预测控制算法；针对模式切换问题，提出了分数阶跟踪微分器以优化轨迹减小超调。根据与“墨子号”卫星进行量子通信的实验结果：分数阶跟踪微分器对模式切换后的目标捕获速度提高了22%，提出的自抗扰模型预测控制相比于传统的PI控制有更强的抗扰动能力，削弱了俯仰换向的脱靶量尖峰，跟踪精度达到2.9″，提高了量子偏振数据接收量，总误码率降低到1.18%。本文提出的控制算法能够进一步提高量子跟踪仪的跟踪精度，降低了误码率，满足星地量子通信的精度要求。

为了满足2.5 m大视场望远镜的跟踪要求，提出了望远镜主轴伺服三闭环控制设计方法。在整定好的电流环输入端注入正弦信号，扫频测试主轴伺服速度环的开环频率特性。根据谐振频率设计结构滤波器抑制机械谐振，从而达到更高的闭环带宽。最后，依据辨识得到的控制模型，设计速度环线性自抗扰控制器和位置环比例控制器。速度环基于线性扩张状态观测器估计扰动并补偿其影响，可以达到更高的低速跟踪精度。为解决快速搜索问题，根据设备允许的最大速度、加速度，基于离散最速跟踪微分器安排过渡过程。实验结果表明：线性自抗扰控制相比PI控制，2.5 m大视场望远镜进行1.24°视场角快速步进搜索的时间由1.6 s降低为1.0 s；以速度为2 （°）/s，加速度为1 （°）/s²作为等效正弦引导的误差均方根值由1.08″降低为0.60″；低速跟踪斜率为0.000 1 （°）/s的位置斜坡曲线时，位置跟踪稳态误差均方根值由0.015 8″降低为0.010 6″。线性自抗扰控制能够满足大视场角天文望远镜高效率快速搜索和低速精密跟踪的要求。

为了提高地基望远镜的定位性能，实现快速无超调的高精度位置切换控制，提出了基于近似最优指令整形算法的轨迹规划定位策略。利用近似最优指令整形算法设计指令修正器，指令修正器位于位置控制器之前，依据参考指令、速度、加速度限幅信息进行轨迹规划，引导系统快速平滑地到达目标位置。相比传统梯形指令整形算法，近似最优指令整形算法解决了抖振问题，因此可获得更优的位置控制性能。实验结果表明，系统响应2.5° 和30° 位置阶跃信号时，相比无轨迹规划定位策略，采用轨迹规划定位策略后位置响应超调量大大降低，系统进入2″误差带的调节时间分别降低了1.14 s和1.57 s。仿真和实验结果一致，基于近似最优指令整形方法的轨迹规划定位策略，可有效提高望远镜的定位性能。

为了对具有速度和加速度限制的物理信号安排合理的过渡过程，提出了一种带有速度和加速度饱和限制的变参数线性跟踪微分器。将跟踪微分器的快速因子设计为跟踪误差减函数的形式，即使在初始跟踪误差非常大的时候也不会产生非常大的加速度，同时结合速度和加速度饱和的限制，使用同一组参数就可以对大范围的阶跃信号给出与物理系统反馈能力相匹配的过渡过程信号。仿真计算表明，所设计的跟踪微分器的跟踪效果与经典的非线性跟踪微分器几乎相同，计算复杂度却明显降低。将所设计的跟踪微分器应用于地平式大视场望远镜的快速调转定位中，与工程中常用的位置分段方式进行对比，响应时间缩短了大约15%~37%，有效提高了望远镜的搜索效率。变参数跟踪微分器不但能够起到过渡作用，还能最大限度地激发物理系统的反馈能力。该方法参数设置简单，易于工程中的调试和实现。

为了提高基于压电式快速反射镜的光学系统的动态目标跟踪性能，对迟滞非线性效应带来的影响及其补偿方法进行了研究。首先，基于Prandtl-Ishlinskii（P-I）模型，建立P-I模型与自回归历变模型（Auto-regressive Exogenous Model，ARX）模型串联的率相关迟滞模型。然后，提出了基于P-I的率相关模型复合控制补偿算法。最后，搭建了基于压电式快速反射镜的实验平台，对压电陶瓷的迟滞效应进行了模型辨识，基于其逆模型设计了前馈控制器，同时检验迟滞补偿方法对动态目标跟踪系统的优化作用。实验结果表明：基于P-I的率相关模型适用于动目标跟踪系统，采用复合控制补偿算法后，动态目标跟踪系统的误差抑制带宽提高了26 Hz，有效提高了动态目标跟踪系统的误差抑制能力。

为了满足大型地基望远镜高分辨率成像的需求，需要利用自适应光学技术对大气湍流造成的波前误差进行校正。压电变形镜是自适应光学系统的关键部件，针对大型地基高分辨率成像望远镜中千单元级压电变形镜的高压高速驱动问题，设计了高性能压电陶瓷高压放大器。该高压放大器采用基于高速低压运算放大器和分立功率器件构成两级放大结构，实现压电陶瓷的高精度大功率驱动。相比于集成运放器件构成的驱动系统，该高压放大器具有驱动能力更强、成本更低的优势，适用于驱动通道较多的自适应压电变形镜系统。实验结果表明：本文设计的高压放大器可以实现120 V输出，驱动0.33 μF容性负载时-3 dB带宽达到5 000 Hz，输出响应时间≤100 μs。该高压放大器能够满足千单元级压电变形镜的应用要求。

本文在无刷直流力矩电机的性能测试基础上，优化设计了基于C8051F120和CPLD单片机的驱动控制电路，通过采用PWM_ON的转矩脉动最小控制模式，实现了无刷直流电机的转速闭环和位置闭环控制。实验结果表明：所设计的无刷直流电机控制系统具有响应快速、定点精度高等特点。当电机以1°/s低速转动时，速度波动小于7%，大角度调转位置闭合定点精度小于1个码值，实现了无刷电机的宽调速范围和高精度控制，验证了设计的无刷直流电机驱动和算法的有效性。