针对空空导弹的电动舵机系统, 提出了基于传动机构主模态的控制方案, 并利用机构动态特性匹配和主模态法设计了双环控制系统。对曲柄滑块机构中的连杆进行分析, 利用机构动态特性匹配和主模态方法将高阶多自由度动力学模型简化为二自由度自由转子模型。对二自由度模型与控制系统联合建模, 分析机构在有无阻尼状态时谐振主频对系统开环截止频率的影响, 确定了按照无阻尼状态进行系统设计更为可靠。最后, 对传动机构进行了模态测试, 确定了机构动态特性匹配设计方法的可行性。结合风洞测试数据在全弹道飞行平台上对含机构主模态的舵机系统进行了性能验证。模态测试结果表明: 固支舵面第一阶扭转频率为1 210.47 rad/s, 传动机构(含舵面)第一阶扭转频率为1 148.17 rad/s, 与理论1 180.0 rad/s结果一致。全弹道飞行平台外载荷验证显示: 最大铰链力矩为6.8 Nm时, 舵面弹性转角为1.1°, 舵机跟踪自驾仪指令最大误差为±0.1°, 这些结果满足舵机系统对性能指标的要求。

为了实现无人机舵机工作状态的在线监测, 实时提供故障类型与故障程度, 设计了一种基于多模型参数估计的舵机故障诊断算法。首先描述了舵机各典型故障类型的动态特性, 并建立相应的故障模型。然后就各故障类型设计相应的故障状态观测器及参数估计器, 实时监测舵机运行状态, 在舵机出现故障时能够及时给出故障信息。同时设计多观测器切换机制, 以解决多个观测器的选取问题。仿真结果表明, 建立的故障模型能够很好地描述典型故障的动态特性, 多观测器切换机制能够及时准确地切换至最接近当前舵机状态的观测器, 给出最接近实际情况的故障信息。

针对以往试验中出现多种模式的结构失效现象，在对新型舵机系统进行可靠性预计时，有必要在传统电子学预计基础上，加入多失效模式下结构可靠性预计。首先，采用专家评分分配法将系统可靠性指标分配到相应模块与组件，然后由元器件计数法、均值一次二阶矩法分别得到电子学部分与各失效模式下结构部分的可靠性指标，进而得到系统的可靠性指标。从预计结果看出，设计方案达到总体分配到舵机系统的可靠性指标要求，在考虑滚珠丝杆机构多失效模式下的可靠度要低于其他电子学部分，与以往试验中结构失效多于电子学部分的现象较为吻合。

针对电动舵机系统的非线性、快时变等特点，提出了改进的自抗扰控制器以改善系统的位置跟踪性能。首先，给出电动舵机的系统模型及控制策略，分析了系统中非线性因素的影响; 设计了改进自抗扰控制器，并利用现代控制理论给出了控制器参数的选择方法。然后，在舵机系统中进行仿真分析，验证了该控制器的可行性。最后，基于谐波式电动舵机对改进的自抗扰控制器与常规自抗扰控制器及PI控制器进行对比实验。实验结果表明: 跟踪10 sin(5 πt)正弦信号时，改进自抗扰控制器能够消除位置平顶和速度死区，相位滞后为0.087 22 rad; 跟踪±1°~±15°角位置时，上升时间为9~18 ms，超调量为0~7.25%，稳态均方差为0.007 60~0.010 83，性能明显优于常规自抗扰控制器和PI控制器。得到的数据显示该控制器减少了设计参数，位置跟踪超调量小，响应时间快，稳态均方差小，改善了舵机系统的动态和稳态性能。

为提高电动舵机伺服系统的跟踪精度, 提出了辨识、测试它的摩擦和间隙非线性及对其进行补偿的方法。针对位置和速度双闭环控制的电动舵机伺服系统, 建立了基于LuGre摩擦和迟滞间隙的数学模型; 依据模型采用前馈补偿方法对系统中的摩擦进行补偿, 同时采用逆模型方法对系统中的间隙进行补偿控制。实验显示, 对于幅值为1°, 频率为2.5 Hz 的给定正弦信号, 补偿后系统的最大位置跟踪误差由原来的0.166°减小到了0.096°, 最大速度跟踪误差由原来的2.723 r/min减小到了0.393 r/min。结果表明, 本文提出的辨识测试方法能够精确地获得摩擦和间隙模型, 基于该模型的补偿能够有效地提高电动舵机伺服系统的跟踪精度。

根据导弹舵机系统的特点，设计一种自抗扰控制器进行位置环控制，运用遗传算法优化参数，对负载力矩外部扰动和模型参数摄动进行补偿，通过与误差分段式PD控制比较，证明采用自抗扰控制的舵机达到指标要求，自抗扰控制动态响应相移、幅值衰减指标都优于分段式PD，大动态负载扰动输出脉动频率小，在电枢电阻、转动惯量变化时，具有很好的快速性和鲁棒性。

运用电力电子仿真、机械仿真和控制系统仿真, 充分考虑各个组件的非线性, 通过对各部分的建模分析, 从原理结构上建立适用于无刷直流电机和减速机构模式的导弹舵机系统精确仿真模型, 可以在舵机整个工作频段和舵偏角范围进行精确仿真。通过对仿真数据与实测数据的比较, 仿真曲线和实测曲线基本吻合, 验证了模型的可用性。

结合捷联惯性导航技术，系统研究了舵机技术指标对滚转自动驾驶仪性能的影响。根据滚转回路特性，分析了滚转回路截止频率与舵机带宽的基本关系。应用频域分析，在低阶简化模型和高阶模型性能比较的基础上，研究了舵机带宽和相角对滚转回路性能的影响。以二阶系统阶跃响应形式，联系飞行操纵产生的下洗流干扰力矩与滚转稳态指令，确定了舵的最大偏转角速度，保证滚转自动驾驶仪在机动飞行时工作在线性区。另外，综合考虑有转速和角度限制的二阶系统舵机模型及不同总攻角下的最大干扰力矩，考查了饱和非线性区中滚转回路指令和滚转角的响应状态，论证了滚转回路的稳定性。结果表明，对于弹体滚转时间常数为0.3 s，舵效率力矩为42 N·m/rad，带宽要求＞50 rad/s的滚转自动驾驶仪，舵机带宽应不小于20 Hz，阻尼比应在0.6以上。