光电跟踪系统广泛应用于激光通信，目标跟踪，导航定位等领域，为完成对目标的捕获与跟踪功能，通常采用包含机架伺服系统和精密跟踪系统协同工作的复合轴结构。本课题关注在既定机械结构下，光电跟踪系统中控制方案的优化设计，使该系统获得更加优越的性能。复合轴结构通常面临两类控制任务，一类是基于告警信号的定位控制，通过定位伺服系统的设计以期达到机架捕获时的快速平稳定位；另一类是基于误差信号的跟踪回路设计，用于提升精密跟踪系统的跟踪精度和抗扰性能。

本文首先描述光电跟踪系统普遍采用的复合轴结构及其重要意义，介绍并推导了机架伺服系统中永磁同步电机的状态空间模型，以及驱动该电机的传统控制方法。其次建立机架伺服系统和精密跟踪平台中被控对象的动态模型。最后总结光电跟踪控制系统需要解决的问题。对于光电跟踪系统面临的两类控制场景，针对性地设计快速平稳的定位伺服系统和具有高精度、高抗扰性能的跟踪控制算法。

为提升机架伺服系统中电流环的快速响应性能，本文提出两种基于预测电流控制的过调制策略。首先提出基于求解器的连续控制集模型预测控制方案，将控制目标抽象为二次规划问题，使用有效集法求解最终调制电压。另一种策略是将共模饱和信号注入无差拍控制所得的调制电压中，从几何投影的角度证明该方案的最优性能。最后，从数学推导的角度证明上述两种过调制策略的最优性和等效性，并结合充足的仿真分析和实验结果验证理论分析的正确性。与此同时，在与传统电流控制方法的实验对比中，本文所提方法表现出更好的快速性能。

为满足快速平稳的定位特性，在机架的定位控制中，提出一种基于过渡过程的近似时间最优定位机制。在分析近似时间最优伺服机制存在的问题后，提出基于过渡过程的切换控制策略。对于大范围定位参考信号，直接采用近似时间最优方案；小范围则加入过渡过程，使得跳变的参考信号变为缓变的上升信号。该过渡过程由最优控制理论推导而来，使用定位参考信号的幅值和执行机构的极限能力量化阶跃信号，从而使得闭环系统跟踪量化后的曲线。最后在光电吊舱中多次定位大范围和小范围参考信号，得出该切换控制策略有效，快速且平稳的结论。

对于精密跟踪系统的高精度和高抗扰能力的需求，提出一种基于三型控制回路的误差跟踪方法。对于任意的PID控制器，通过集成本文所提的附加模块构成三型回路，使得系统低频误差抑制和扰动抑制能力均得到提升，并给出三型回路较一型PID回路的性能提升频段。对于三型控制回路的待定参数，使用多目标非劣排序遗传算法确定全局最优的控制器参数，控制目标包括闭环带宽，误差抑制比和条件稳定区间。在精密跟踪平台验证所提算法后，误差抑制和扰动抑制的性能提升频段完全验证理论结果，且针对如斜坡、加速度的快速参考输入信号，所提三型控制回路表现出更优越的跟踪性能。

由于传感器的低采样率及数字系统的固有特征，系统的延迟特性是不可避免的，而延迟是限制光电跟踪系统跟踪精度提升的重要因素之一。因此针对三型控制回路中考虑延迟环节的参数整定问题，提出一种基于幅值最优准则的调参方法。该方法从频域角度出发，使得闭环频率特性的幅值在尽可能宽的频段内接近于一，其中延迟环节采用八阶泰勒展开近似，从而确定控制器中具体参数的解析关系式。最后，通过在光电吊舱系统对比本文与传统调参方法的控制性能，本文所提方法具有更小的稳态误差和更强的扰动抑制特性。