近红外波段(NIR, 波长范围: 780～2 500 nm)在线光谱分析技术具有小型化、 快速检测、 结果稳定可靠等优点, 在工业现场检测领域有着广泛的应用。 由于近红外光谱分析系统受温度影响较大, 传统的光栅分光在线光谱分析系统所采用的光谱仪通常仅对探测器制冷, 光路部分仍然会受到温度影响产生波长漂移等测量误差。 此外, 系统也多采用PC计算机来进行数据采集和控制, 并通过配备独立的工业通讯模块实现光谱分析系统与产线总控系统的通讯, 不仅增加了设备成本与体积, 也显著降低了系统的稳定性。 针对这些问题, 基于STM32单片机开展了在线恒温光谱分析系统研制与测试。 系统采用STM32单片机来控制近红外光谱仪, 通过设定和修改采集间隔时间并采集光谱数据, 对光谱数据进行预处理, 来计算得到目标样品的理化指标。 对于温度控制, 开发了在STM32单片机上运行的基于比例-积分-微分(PID)控制算法的恒温控制系统, 对光谱仪整体(包含光路和电路部分)实现了闭环恒温控制。 同时, 开发了基于STM32单片机的工业通讯接口(包含Modbus协议通讯和4～20 mA电流信号通讯)。 系统实验测试结果表明, 该设计能够长时间稳定运行, 并有效降低了环境温度变化对光谱数据带来的干扰。 在长达48小时的系统运行过程中, 光谱仪温度稳定控制在5 ℃左右, 温控精度优于0.25 ℃。 相对于未恒温控制的运行模式, 恒温控制条件下的平均吸收光谱强度相对标准差显著减小, 并实现了数据采集、 预处理、 样品理化指标计算、 工业信号通讯及温度控制的一体化设计, 以满足工业现场在线检测需求。

量子级联激光器（QCL）具有出射功率高、 覆盖范围宽等优点, 在中红外探测领域发挥重要作用。 由于激光器对外界环境变化的敏感性导致激光波长波动, 在400 s的观测时间内频率漂移峰峰值高达180 MHz, 在一定程度上限制了QCL激光器的性能, 影响分子光谱探测的准确度。 频率锁定技术作为改善激光器运行状态最有效的方法在中红外区域得到广泛应用。 该研究发展了一种基于气体分子吸收的QCL激光频率锁定技术, 以5.3 μm QCL激光器为例, 采用调制激光波长的方法将激光频率锁定于一氧化氮（NO）分子1 875.812 8 cm-1处的吸收峰上。 介绍了误差信号的产生原理, 分析了使用三次谐波信号作为误差信号用于频率锁定的优越性。 使用长30 cm的单通道NO吸收池得到了高信噪比（SNR）的NO吸收信号, 标定了三次谐波幅值电压与激光频率的转换系数。 并对锁定过程进行详细的介绍, 探究了反馈控制回路中比例、 积分、 微分参数设置在激光锁频过程的重要性, 给定了详细的锁定参数。 主动干扰激光器锁定, 从扰动开始至恢复稳定的时间好于40 ms, 证明了该锁定系统可以抵抗外界干扰迅速响应并保持稳定。 使用误差信号的波动结合电压-频率转换系数分析了频率锁定系统的稳定性, 在10 ms的积分时间下频率漂移好于673 kHz, Allan方差分析结果显示, 当积分时间延长至100 s时, 相对频率漂移为4.5 kHz（对应稳定度为8×10-11）, 有效提高了激光频率的长期稳定性。 这种使用直接调制激光器而不需要使用外部调制器件的方法, 简化了系统复杂度的同时也提升光学探测系统的探测性能。

为了解决机载激光通信平台在工作环境中，因自身运动姿态的变换、工作环境的不稳定、外界大气湍流等外界因素对跟踪系统的干扰问题，提出一种比例积分微分（PID）与自抗扰控制（ADRC）结合的算法，在线性的自抗扰环节加入PID控制算法，对系统进行仿真和实验测试。结果表明，改进型ADRC在跟踪精度、抗扰动能力和鲁棒性方面都优于传统ADRC，改进型ADRC在跟踪精度上约为6.8μrad，传统ADRC的跟踪精度约为8μrad，可以看出，改进型ADRC的跟踪精度较传统ADRC提高了15%左右。将改进型ADRC系统的控制算法代入实际的快反镜系统中也有良好的跟踪效果。

为抑制快速反射镜开机温漂，以及实现快速反射镜在设定温度条件下正常工作，设计了温度控制系统与新型控制方案，来实现对快速反射镜温度的精确控制。温控系统以单片机为核心控制元件，热电制冷器为执行元件。设计基于小波去噪的非线性比例-积分-微分自抗扰控制方案，通过基于Sigmoid个性化惯性权重的粒子群优化算法整定控制参数，进行仿真和实验。结果表明，此控制方案能有效抑制快速反射镜的开机温漂，在15~28 ℃的控温范围内，控温精度达到±0.02 ℃，可在142 s内稳定在预设温度。所设计的温控系统响应速度快、控制精度高，鲁棒性强，具有较好的应用价值。

针对车载行进间状态下光电平台稳像效果不佳的问题, 提出了一种有效的优化方法, 即减小陀螺采样频率和系统控制周期, 在驱动电路中增加电流环, 同时在控制回路中增加扩张状态观测器实现对扰动的观测和补偿。从摇摆台测试和实际跑车测试两方面检验了所提出方法的有效性。摇摆台三轴3°、2 s摇摆条件下, 光电平台双轴稳定精度优于0.15 mil(1σ); 土石路面, 车速15~30 km/h情况下, 光电平台双轴稳定精度优于0.2 mil(1σ)。该方法简单有效, 在传统PID算法的基础上, 仅需做适当的优化, 即可实现较明显的稳定精度改善。该方法同样适合于舰载、机载光电平台, 并已在相应的光电平台中得到应用。

直线运动动态目标模拟系统可提供相对航空相机做像移直线运动的无限远动态目标，用于检测航空相机的动态分辨率指标。针对动态模拟系统中的大视场长焦距的准直光学系统完成了复消色差光学设计，结合鉴别率板、精密直线滚动导轨、直线电机等共同组成了动态目标发生装置。根据航相机像移速度方程设计了动态目标模拟的运行轨迹，在LABVIEW虚拟仪器平台上采用比例-积分-微分算法控制直线电机实现了运行速度10~900 mm/s、匀速段瞬时速度误差≤1%的动态目标模拟。结果表明，优化后的光学系统传递函数优于0.2@100 lp/mm，畸变≤0.03%。

四旋翼飞行器因存在参数不确定性和环境干扰,会出现姿态不稳定的问题，而传统的PID控制对四旋翼的姿态稳定及机动性达不到控制需求。为此，提出了一种扩张状态观测器(ESO)的RBF神经网络PID控制器。首先，利用ESO的扩张特性和非线性函数对扰动进行估计和补偿，减少系统的误差; 其次，将ESO对系统输出的估计值作为RBF神经网络的输入，使梯度信息更加精确，能够更好地优化增量PID的参数; 最后，该神经网络的激励函数取高斯基函数，利用RBF神经网络的自适应性、自学习能力对模型控制参数进行调整。Matlab仿真实验表明，在未知干扰环境下，ESO的RBF神经网络PID控制器能够明显提高系统的抗干扰能力，且具有较小的超调量及较好的鲁棒性。

对光束高精度、稳定地跟踪是自由空间激光通信链路建立的前提。引入一种改进的萤火虫算法，对比例-积分-微分(PID)控制器的参数进行优化整定，同时建立了直流力矩电机系统模型，将优化参数后的PID控制器应用到此系统中，在六维仿真台上进行了实验，结果表明：对于同一个系统，与采用齐格勒和尼克尔斯(Z-N)法相比，改进的萤火虫算法对参数整定后的PID控制器的响应速度提高了40%，带宽提高了33.3%，跟踪精度提高了25%。

提出一种多波长显微干涉光强一致性的控制方法。将光强可调的白光LED作为多波长光源,在显微干涉光路中加入光强探测器,将从不同滤光片出射光的光强实时反馈到STM32单片机中,通过PID(Proportion Integration Differentiation)控制快速调整LED输出光强,实现不同波长光强的一致性,进而得到灰度分布一致的多波长干涉图像。实验结果表明,本文方法能够使不同波长的光强快速准确地稳定在设定值,将对应的不同波长干涉图像对比度误差从18%减小到2%。