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%。

针对传统Prandtl-Ishlinskii(PI)模型不能反映压电式气体比例阀迟滞非对称特性而导致其补偿控制精度难以提高的问题, 提出了一种改进的PI模型, 通过添加3次多项式使其能拟合压电式气体流量比例控制阀的非对称迟滞曲线。利用改进的自适应粒子群遗传算法辨识所需的模型参数, 模型相对误差为0.007 3%, 并将模型用于前馈补偿控制。实验结果表明, 基于迟滞模型的前馈补偿控制可显著提高压电式气体比例阀输出流量控制的快速性, 调节时间降低了60%。

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。

气流随机冲击引起的姿态扰动是飞行器光电系统的主要扰动源，在系统自身转轴摩擦和质量不平衡等因素的作用下，严重影响了光电系统视轴稳定性。为了有效抑制扰动力矩的影响，建立了外俯仰、内方位两轴光电系统动力学模型，给出了扰动因素和运动耦合综合作用下的扰动传递关系。根据系统动力学模型，提出了扩展卡尔曼滤波扰动力矩估计方法，并构建扰动力矩前馈控制回路，实现了对扰动力矩的实时补偿,大大提高了光电系统的稳像控制精度。利用飞行模拟转台对某两轴光电系统进行了半实物仿真实验，结果表明: 在幅值为1°、频率为2 Hz的载体扰动条件下，采用前馈补偿方法系统俯仰和方位框架的视轴稳定精度均方根值分别达到0.026 4 mrad和0.029 0 mrad，相比扰动观测器控制方法分别提高了64.1%和69.6%。

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。

为了解决传统比例-微分-积分(PID)控制器在精密光束指向系统（FPB）应用中存在的控制精度与超调量之间的矛盾, 并使其可在现有控制系统硬件平台中应用, 设计了一种数字复合PID控制器。该控制器采用了传统PID、前馈补偿以及抗积分饱和算法三部分综合而成, 在控制器复杂性和处理时间不显著增加的前提下, 缩短了调节时间及过冲, 改善FPB系统的指向精度及动态特性; 对该控制器的结构进行了分析, 并与采用传统PID控制器的FPB进行了对比试验。结果表明, 在相同的实验条件下, 采用复合PID控制器的FPB系统与采用传统PID控制器的FPB系统相比, 调整时间缩短了约11.4%, 最大超调量从12.7%降至1.8%。在现有计算能力受限的控制系统平台上, 可实现FPB系统性能的有效提升。

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。

高加速度运动系统中非线性摩擦的建模补偿对提高轨迹跟踪性能至关重要。本文针对传统参数化模型难以准确预估高加速度运动启停阶段摩擦过冲等非线性摩擦的问题, 在传统模型结构的基础上, 结合扩展Stribeck模型, 提出一种扩展参数化模型, 模型参数的训练和学习样本源于高精度迭代学习控制获取的有限轨迹下非线性摩擦前馈补偿数据, 并采用Levenberg-Marquardt算法拟合模型参数。最后, 在音圈电机驱动的高加速定位平台上针对不同运动轨迹进行了实验验证。结果表明, 该方法能够克服传统参数化模型难以消除高加速度启停阶段摩擦过冲等非线性摩擦对轨迹跟踪精度的影响; 且与迭代学习控制的轨迹跟踪精度接近, 有效避免了迭代学习泛化性差等问题, 可实现工作空间下任意轨迹的摩擦补偿。

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。