针对模块化关节，设计了一套离线辨识方法，对关节的摩擦模型进行了辨识，并对摩擦力进行了补偿。首先，介绍了该模块化关节的结构和控制系统，建立了关节的动力学模型。然后，基于LuGre摩擦模型对关节摩擦力进行了建模，分别用灰狼算法和分段最小二乘配合伪随机序列法辨识了模型的参数，并进行对比分析。最后，设计了基于LuGre摩擦模型的前馈补偿算法，并进行了实验验证。实验结果表明：相较于分段最小二乘法，灰狼算法的辨识精度提高了19.2%；给定幅值为1 （°）/s，频率为10 Hz的正弦速度信号，摩擦补偿使关节速度跟踪误差从0.295 （°）/s减少为0.183 （°）/s；关节速度环带宽从12 Hz提高到18 Hz。多次实验显示，辨识的数据具有较高的重复性，验证了辨识方法的有效性。设计的前馈摩擦补偿算法可以改善关节控制系统的动态性能。

研究了挠性卫星的姿态跟踪控制问题, 设计了一种RBF网络摩擦补偿滑模控制算法。首先, 根据挠性卫星姿态控制系统的成像模式推导了挠性卫星姿态运动模型。其次, 根据误差四元数描述的跟踪误差运动模型, 引入经典滑模控制作为主控制框架, 考虑到对观测干扰的抑制, 加入扩张观测器(ESO)来观测系统总扰动。最终, 使用RBF网络摩擦补偿系统来近似估计在线切换项, 实现滑模控制律中切换增益的平滑, 从而减小系统振动。理论推导并证明该方法的收敛性, 并与传统的RBF网络逼近的自适应控制进行仿真比较, 验证了理论结果。

为提高导引头稳定平台抗扰性, 提出了一种导引头稳定平台的扰动补偿及改进滑模控制策略。首先根据扰动特点将扰动分为摩擦力矩和“剩余扰动”两部分, 基于Stribeck摩擦模型辨识摩擦参数, 并进行摩擦力矩补偿; 采用扩张高增益观测器对“剩余扰动”进行估计, 并给出了扩张高增益观测器的收敛条件。然后设计了改进滑模控制器作为稳定回路的控制器实现伺服控制, 采用Lyapunov函数证明其稳定性。最后, 搭建测试系统分别进行了稳定平台性能测试和导引头性能测试, 用于验证跟踪和抗扰效果。实验结果表明, 跟踪1 (°)/s的梯形波时, 提出的控制器有效地补偿了摩擦, 同时稳态精度提高了0.032 8 (°)/s; 给定三轴转台典型幅值和频率扰动下, 采用提出的控制器时系统隔离度至少提高了0.57%。表明提出的控制器改善了系统抗扰性。

本文采用新型Stribeck模型和区间辨识方法对伺服系统中的摩擦补偿进行了研究。首先, 针对Stribeck摩擦模型存在非线性、控制计算量大和不利于控制器设计等缺点, 本文对其进行了线性化, 并提出一种线性化的Stribeck模型; 然后介绍了区间理论的参数辨识方法, 并对方法的有效性进行了仿真验证研究; 利用所提出的新模型进行了摩擦实验, 结果显示该模型可以辨识出摩擦参数, 接着设计了前馈摩擦补偿控制器。最后, 分别采用阶跃和正弦输入信号进行实验, 结果显示采用所设计摩擦补偿器补偿后, 两种信号的稳态精度分别提高了26.8%和83.63%, 验证了新模型和方法的有效性。本文提出的新型Stribeck模型易于工程应用, 所用区间分析理论适用于参数辨识。

由于航空遥感惯性稳定平台框架角运动受限, 本文提出了基于LuGre摩擦模型进行参数初步和精确辨识的方法以进一步提高其控制精度。从数字控制系统出发, 构建了摩擦参数辨识系统, 把摩擦参数辨识问题转化为曲线拟合问题。通过限定输入信号幅值和频率, 解决了框架角运动受限导致摩擦参数辨识困难的问题。结合数字控制系统特性, 优先辨识摩擦线性项参数; 根据摩擦静态和动态特性, 提出分步夹逼和分步搜索法依次辨识剩余参数, 完成初步辨识。然后代入初步辨识结果, 用遗传算法完成摩擦参数的精确辨识。仿真结果表明: 摩擦参数初步辨识误差小于5%, 精确辨识误差小于0.7%; 用辨识出的摩擦参数构建摩擦补偿器, 系统对基座低频角运动干扰的抑制能力提高了4倍。最后, 基于某原理样机开展了摩擦参数辨识和补偿实验, 结果表明控制精度提高了1倍, 证实了提出的辨识方法的有效性和工程实用意义。

利用模糊推理对基于Stribeck摩擦补偿模型的参数进行在线辨识, 使摩擦补偿量在数值上无限逼近真实的摩擦干扰; 通过建立伺服系统摩擦补偿模型, 仿真验证了该补偿方法的有效性, 并进一步在高精度光电跟踪平台上比较分析了有、无摩擦补偿的跟踪误差曲线, 验证了摩擦补偿效果, 实验表明该方法使过零波形畸变基本消失,跟踪误差降低为原来的20%, 显著提高了低速跟踪性能。

机载光电平台能够实时获取侦察测量信息，通过设计惯性稳定系统隔离载体运动以减小光学传感器视轴的抖动。对于采用整体稳定方式的光电平台，环架轴系间的摩擦是影响视轴稳定精度的主要扰动因素。考虑摩擦力矩由LuGre动态摩擦模型描述，针对动态摩擦参数和系统负载特性未知的情况，为惯性稳定回路设计了一种模型参考自适应摩擦补偿控制器。通过类李雅普诺夫分析证明了闭环系统跟踪误差的渐近收敛性。仿真结果显示，相比采用传统的比例积分惯性稳定控制器，光电平台系统的稳定精度得到显著提升。

为降低摩擦对光学精密伺服转台速度跟踪精度的影响，提出了基于LuGre模型的转台摩擦参数辨识和补偿方法。首先，分析转台在自由减速过程中的速度过零现象，采用遗传算法拟合减速曲线从而获得转台摩擦参数和转动惯量；然后，通过仿真实验验证辨识方法；最后，利用辨识得到的参数计算摩擦补偿并叠加到转台速度伺服系统。实际实验系统的数据更新率达1 kHz，已实现了速度-电流双闭环控制。实际拟合实验中，拟合与实测速度曲线的误差均方差为2.9×10-3rad/s；速度跟踪实验中，对于幅值为0.032 4 rad/s ,频率为0.5 Hz的给定正弦信号，摩擦补偿消除了波形失真，系统速度跟踪误差的均方差减少27%。实验表明，用该方法测量转台摩擦参数精确度高，基于辨识参数的摩擦补偿可提高光学伺服转台低速低频段的速度跟踪精度。

针对大口径光电望远镜惯量大、存在摩擦非线性的特点，设计了自抗扰控制器以改善伺服系统的速度响应特性。介绍了自抗扰控制器的工作原理和基本结构，给出了控制器参数的选择依据，并仿真分析了各个参数的作用效果。最后，在实际望远镜转台上和常规PID控制器进行了对比实验。结果表明，采用自抗扰控制器，既可以实现大速度阶跃响应快速无超调，又可以缩短低速阶跃响应时间、改善低速平稳性。在以0.005 (°)/s速度运行时，系统稳定时间为1 s，速度波动标准差为0.000 082 (°)/s，最大值为0.000 42 (°)/s，性能明显优于传统的PID控制系统。实验结果证明自抗扰控制器对摩擦、饱和等非线性因素具有抑制能力，可以提高望远镜伺服系统的调速性能。

为了解决低速状态下跟踪转台在摩擦力矩作用下出现低速爬行现象, 以某光电跟踪转台为研究对象, 根据Lyapunov稳定性理论和自适应控制理论, 提出了自适应摩擦补偿方法。通过在经典伺服控制回路中增加摩擦补偿器, 以达到抑制低速爬行现象, 提高设备低速平稳性能。对比补偿前后转台的输出速度仿真曲线, 表明该方法能够有效地抑制低速爬行现象的产生, 提高转台的稳定跟踪性能, 适合于工程应用。