针对因压电陶瓷固有的迟滞特性降低了压电陶瓷平台定位精度问题，该文提出一种基于前馈补偿的复合控制系统。首先建立前馈模型，提出并应用一种分段式的Prandtl-Ishlinskii模型，增加拟合精度，同时避免了复杂的求解过程，并求出迟滞逆模型，其建模误差率可达0.69%; 其次，对反馈回路设计了串联比例-积分(PI)数字电路、正弦激励电路及电容转换电路，进一步提高了压电陶瓷定位平台的控制精度。根据国标GB/T 38614—2020的测试标准进行实验测试，结果表明，在设计的复合控制系统控制下，压电陶瓷定位平台正、反向重复定位精度分别为0.013 1 μm和0.015 5 μm，准确度为0.033 5 μm，在计算出反向差值后得出迟滞误差为0.013%。与仅有前馈控制相比，其控制精度提高了79.57%。

针对压电陶瓷(PZT)位移平台因迟滞特性而降低系统定位精度的问题, 该文采用了一种带有前馈补偿的复合型控制方法。首先建立前馈模型, 提出了一种分段式Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型, 并对所建平台迟滞模型求逆, 其建模误差率在0.7%内; 然后针对闭环回路设计了串联比例-积分(PI)模拟电路、滤波电路和检测电路, 进一步提高了控制系统的响应速度和控制精度。实验结果表明, 压电陶瓷位移平台在频率为100 Hz, 行程为0~140 μm的情况下, 基于前馈补偿的复合控制系统的平均绝对误差为0.039 μm, 最大误差为0.16 μm; 与仅有前馈控制相比, 其控制精度提高了73.76%。

以宏纤维复合材料(MFC)驱动柔性悬臂结构为研究对象, 着重开展其动态形状控制理论研究。基于有限单元法、均匀化理论和载荷比拟方法, 建立了压电驱动层合结构力-电耦合动力学方程, 并结合模态降阶法得到其状态空间形式控制模型。同时, 针对压电材料作动器迟滞蠕变非线性特征对控制精度影响严重的问题, 开展了依据实验数据的迟滞蠕变建模及其前馈逆补偿控制方法的研究,并构建了面向压电驱动柔性结构动态形状控制的迟滞-蠕变前馈补偿与自抗扰反馈控制相结合的复合控制系统。结果表明, 该复合控制法能够在保证系统稳定性的前提下有效提高系统动态形状控制精度。

为提升精密转台的轨迹运动精度, 本文从轨迹规划和运动控制两个方面对传统控制算法进行了改进。轨迹规划方面, 推导了S曲线轨迹规划方程, 并结合转台动力学约束条件给出了轨迹规划参数的取值方法, 从而为运动控制算法提供了满足动力学要求的轨迹指令; 运动控制方面, 在传统双闭环反馈控制基础上增加了DOB扰动补偿和前馈补偿, 以此改善转台的伺服性能, 提升转台的运动精度。在详细说明了轨迹规划算法和运动控制算法的设计过程后, 对两部分算法进行综合, 给出了具体实现步骤, 并以谐波转台和RV转台为实验对象进行了多组算法性能测试。实验结果表明: 相比于传统控制方法, 采用本文提出的方法能够使转台动态精度提升99.6%, 稳态精度提升99.75%, 从而证实了该算法对运动精度提升的有效性。

为了进一步提高光电平台伺服控制系统的抗扰动能力，提出一种基于自抗扰控制器的改进型速度稳定回路。首先，分析了平台视轴稳定回路的数学模型并引入电流环对其进行了化简，通过伺服控制系统中扰动作用原理，引入扰动总和的思想。然后，设计含有降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器，对扰动总和实时观测并进行线性化前馈补偿。最后，以某型车载光电平台为控制对象，进行了PI控制器与自抗扰控制器的对比实验。实验结果表明，采用自抗扰控制器伺服控制系统相比PI控制法的阶跃响应速度更快，超调幅值仅为PI控制法的26.98%。使用摇摆台引入的频率为2.5 Hz的正弦扰动，系统稳态误差幅值仅为PI控制法的9.76%。在系统模型参数改变±15%范围内，自抗扰控制器仍具有良好的抗扰能力，表现出很强的鲁棒性，满足光电平台的性能要求，对提升平台抗扰能力有着较高的实用性。

讨论了旋翼直升机高频振动时产生的质量不平衡力矩对航空光电稳定平台性能的影响。基于传统光电稳定平台电流反馈、速度反馈、位置反馈的三闭环控制系统提出了一种基于系统模型的质量不平衡力矩前馈补偿方法。该方法通过标定平台质量偏心, 利用加速度传感器获取平台加速度信号来对平台的质量不平衡力矩进行前馈补偿, 实现对平台质量不平衡力矩的抑制, 提高光电稳定平台的扰动抑制能力。实验结果表明: 相对于传统三闭环控制系统, 引入前馈补偿后系统的扰动隔离度至少提高了6.4 dB; 相对于利用扰动观测器对质量不平衡力矩进行补偿的传统补偿方案, 引入前馈补偿的光电稳定平台系统不仅在低频段补偿效果提升约12.9 dB, 而且克服了扰动观测器在高频时不能补偿质量不平衡力矩带来的影响, 使平台在全频段的扰动隔离度都大幅提高, 视轴能更好地稳定在惯性空间内, 具有较高的实用性和使用价值。

舰载光电设备在捕获跟踪阶段, 由于艏摇、纵摇、横摇的扰动, 红外跟踪精度会受很大的影响。为了提高舰载光电设备跟踪精度, 提出了一种速度回路前馈控制策略, 控制方法分三步: 首先将大地坐标系转化为甲板坐标系;其次当目标出现在视场内且满足图像提取阈值时, 利用CA模型最小二乘法原理对合成的甲板坐标系下的速度进行滤波;最后将滤波后的速度前馈到速度回路上, 同时伺服控制回路采用串联校正, 根据不同的跟踪状态切换不同的调节器, 并结合红外脱靶量信息构成完整的双闭环回路。试验显示, 某舰载光电设备红外跟踪状态下, 在未加入本算法时, 跟踪误差的最大值为120″, 加入前馈补偿后, 跟踪误差的最大值为78″, 减小了跟踪误差, 提高了舰载光电设备对抗能力。

针对共形光学导引头角增量非线性误差的补偿问题, 设计了一款红外共形光学导引头。研究了共形导引头的焦距非线性和脱靶量非线性产生的原因及它们对控制系统的影响, 并给出了相应的前馈补偿方法。根据共形导引头的特点, 介绍了焦距以及脱靶量的非线性误差现象; 基于提取控制角增量的方法, 分析了共形导引头的非线性变量对跟踪回路跟踪误差的影响。最后, 设计了基于角增量非线性模型的前馈补偿器, 测试了系统的跟踪误差。结果表明: 当共形光学系统的焦距为90~91.125 mm, 像移变化为0~1.109°时, 所提出的前馈补偿器能够有效地校正跟踪误差, 补偿后的跟踪误差为0.038°, 满足共形光学导引头对位置回路跟踪误差≤0.1°的要求。

为满足高分辨率光刻机控制大时间热响应常数投影物镜温度时响应速度和超高精度的要求, 设计了前馈——串级水冷投影物镜温控系统。该系统以物镜为主控对象、冷却循环水为副控对象。针对物镜的慢动态温度变化特征, 采用模型预测控制作为外环主控制算法; 针对冷却水远传回路的纯时滞特性, 采用带Smith预估器的PID控制作为内环副控制算法; 为解决光刻机在不同工况下激光光路对物镜温度的严重扰动, 引入前馈补偿控制激光热扰动。最后, 在不同控制结构和热干扰条件下, 进行了模拟物镜温度控制实验。结果显示,物镜温度稳态误差曲线在±0.01 ℃内波动。实验证明该系统极大地提高了物镜的温度收敛速度,具有较强的抗干扰能力, 能满足物镜的超高精度温度控制要求。

传统 PID控制在伺服系统高精度位置跟踪和改善系统品质方面已露出诸多不足, 且系统中存在的控制干扰和测量噪声会在很大程度上影响伺服系统的跟踪精度。针对工作实际中的被控对象控制问题, 对传统的 PID控制算法进行改进。提出一种带有卡尔曼滤波器的重复控制补偿 PID和前馈补偿相结合的控制方法。通过仿真证明, 该控制方法能以较高的精度跟踪周期性输入信号,且有较好的抑制随机扰动和鲁棒性。