随着科学技术的发展,各工程领域对精度的要求越来越高,精密跟踪系统的性能成为研究的重点之一。本文以快速反射镜(FSM)为研究载体,首先采用理论推导的方法建立了被控对象带有非线性环节的白盒模型。对于理论模型与实际对象之间存在的差异,设计多个实验方案,获取了被控对象的实测频率特性曲线及不同信号下的响应曲线,作为模型校正的依据。采用系统辨识的方法,根据频率特性曲线校正理论模型的线性部分,根据响应曲线提取非线性参数的实测值,与理论值相互验证。同时根据实验数据采用两种方法得到了相同的噪声模型。最终建立了被控对象带有噪声的本质非线性白盒模型。又根据被控对象实测频率特性曲线,采用人工拟合的方法得到了由典型环节组成的传递函数黑盒模型。两个模型在控制设计中各有优势,可以灵活选用。采用超前校正、滞后校正、陷波控制等多种控制策略及其组合,进行闭环控制系统的设计。针对FSM中普遍存在的谐振问题,采用两种控制方案,最终得到的闭环系统带宽均能满足设计期望指标的500Hz,甚至远超出500Hz。分析比对了同一控制器下,线性系统与非线性系统的性能差异,得出了控制限大于物理极限,非线性是制约系统性能的关键因素的结论。具体分析了物理极限对系统性能的制约作用。根据输入信号大小对系统工作区域进行了线性区与非线性区的划分,解释了小信号下系统带宽更宽的原因。分析了饱和非线性对系统暂态性能的影响。比较了不同控制器下系统的稳态精度,得到当前系统极限精度为1.6″,且传感器测量噪声是限制稳态精度的因素。对于该测量噪声,控制策略无法压制,需要从噪声根源上采取措施。分析了不同幅值正弦信号输入下,系统所能达到的最大跟踪频率,揭示了非线性系统中存在的跟踪性能与物理极限之间的矛盾,验证了控制限大于物理极限的结论。对FSM双轴进行了联合控制仿真,并得到了不同控制系统跟踪圆形轨迹的实时误差与径向误差。为了验证本文的分析方法与结论,以单自由度转台为负载,进行了直流电机驱动的三闭环伺服验证系统的研发,完成了软硬件系统的设计,实现了伺服系统的功能。针对研发过程中的关键问题进行了细致分析与解决:采用两种方案设计了驱动器,并比较了两者的性能差异;对电流采样调理电路进行了Multisim仿真设计与实现,并通过实际测试验证了电路设计的正确性;分析了PWM波频率与分辨率对直流电机控制性能的影响;比较了两种编码器脉冲信号处理方案的性能差异,最终采用了基于STM32处理器的正交解码模式,有效滤除了测量噪声,提高了测量精度;完成了带有积分分离和积分抗饱和的三闭环PID算法的C语言实现。最后对系统进行测试,给出了一组实际系统跟踪响应曲线,验证了伺服系统功能的实现。