为了满足4 m大口径望远镜镜面成像对主镜位置的高精度需求,介绍了采用电机驱动浮动液压支撑方式的主镜位置控制系统设计方法。介绍了主镜位置控制系统的构成并建立了各结构的数学模型;基于线性扩张观测器和一阶动态滑模控制方法,设计了主镜位置控制器;对该控制系统进行了仿真验证。结果显示:在俯仰轴以1 (°)·s ^-1的速度匀速运动的情况下,每个支撑区域的跟踪误差最大值小于0.5 μm;在俯仰轴正弦引导情况下,跟踪误差最大值为1 μm,明显优于传统的比例积分控制的13 μm跟踪误差,满足4 m望远镜主镜位置控制系统的设计要求。该研究为大口径望远镜主镜位置控制系统设计提供了一定的参考。

本文以高精度伺服系统中的永磁同步电机变速扫描为研究对象, 针对自抗扰控制器中跟踪微分器(trace differentiator, TD)及扩张状态观测器(expansion state observer, ESO)模块的延时响应和参数复杂等缺点, 设计了一种改进的自抗扰控制器, 有效简化了其 TD和 ESO模块并减少可调参数, 以实现内外干扰较大的环境下电机的高精度快速响应。将该控制器应用到某型号项目的伺服摆扫镜机构中, 并将其性能与同条件下传统比例 -积分-微分(proportion-integration-differential, PID)控制器性能作对比。实验结果表明: 改进的自抗扰控制器表现出优于 PID的控制性能, 0°/s～10°/s响应时间 75 ms, 超调小于 6%, 稳态精度达到±1%; 变速跟踪过程转速波动小, 无超调, 扫描周期时间波动小于 0.0014 s, 起始位置角度定位精度高于 0.0015°, 满足型号项目指标要求。改进的自抗扰控制器对其他搭载永磁同步电机实现变速跟踪扫描的系统也有一定的参考价值。

由于ADRC控制策略相比传统的PID控制方法有着诸多优点, 因此该方法应用在了不同的领域。针对当今空间光通信APT系统精跟踪部分, 采用自抗扰控制策略对其进行控制: 首先分析了线性自抗扰参数对APT系统扰动的影响, 然后将自抗扰控制策略加入到实验仿真中, 对APT系统的扰动进行实时估计, 并通过回路在控制量中加以补偿, 最后对自抗扰控制的参数进行整定, 以提升精跟踪部分的噪声抑制效果及APT系统的跟踪精度。实验结果表明, 自抗扰控制策略应用在光通信APT系统精跟踪部分, 减小了系统跟踪误差, 提升了系统的快速性, 增强了系统鲁棒性, 满足空间光通信APT系统的高精度控制和噪声抑制需求。

针对半捷联两轴导引头稳定平台，研究了稳定平台的扰动抑制及稳定跟踪功能的实现。对平台进行了系统分析与建模，梳理了系统特性; 从控制需求、被控对象特点、控制技术现状等方面权衡，阐述了选取自抗扰控制技术的原因，概括了自抗扰控制技术的优势。按照跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性状态误差反馈控制律、扰动估计补偿等四大模块，设计控制器并给出了参数整定情况。以传统PID控制为对比，仿真验证了本控制器的性能效果，通过阶跃响应验证抑制扰动效果，输入正弦信号验证稳定跟踪效果，利用蒙特卡罗方法验证被控对象模型参数在基准值上下20%摄动时的控制系统的鲁棒性。实验表明，本控制器抑制扰动效果明显优于传统PID控制，跟踪误差较PID小50%以上，鲁棒性提升约1倍。

为消除飞机姿态角速度变化对摆扫式航空相机反射镜组件进行前向像移补偿时的扰动，设计了线性自抗扰控制器(LADRC)，研究了角速度扰动与力矩扰动的等效关系和扰动估计及补偿方法。首先，分析了飞机姿态角速度扰动对像移补偿的影响；然后，建立了有力矩扰动作用时反射镜系统的数学模型，设计了用于扰动观测与估计的线性扩张状态观测器及带扰动补偿环节的控制律。最后，在反射镜组件上对LADRC的控制性能进行了实验，并与目前航空相机常用的滞后超前校正进行了比较。实验结果表明，与滞后超前校正相比，施加同样的扰动，线性自抗扰控制的扰动残差在1.4%以内，减小了75%左右，稳速精度达到0.25%，提高了扫描反射镜的稳速性能和鲁棒性。