在空间激光通信系统中,快速偏转镜是捕获、瞄准、跟踪过程中重要的执行机构。工作平台及空间环境存在的结构振动、相对运动、大气散射、大气湍流等影响因素,会导致激光光束偏离目标,通信系统的稳定性下降,因此空间激光通信工程要求快速偏转镜具备更强的抑制扰动能力。由于快速偏转镜为非线性多因素时变系统,需要建立精确的数学模型和设计数字化的控制方法,目前能够对控制参数进行实时修正的智能PID控制逐渐成为快速偏转镜控制领域的热点。在激光通信链路中,由于发射功率、通信距离、束散角等因素的影响,快速偏转镜对跟踪精度的要求极高。在快速偏转镜系统中,压电陶瓷促动器具有迟滞、蠕变、动态效应等特性,并直接影响快速偏转镜的定位精度。本文对压电陶瓷促动器的静态特性和动态特性进行了详细分析,在此基础上设计了一种三自由度的直推式快速偏转镜。首先通过结构静力学求得圆弧基本结构的刚度模型,运用单元集成法求得弹性环的整体刚度矩阵,利用标量分析法求得结构的三阶固有频率。然后通过ANSYS Workbench有限元软件对快速偏转镜的结构进行模态分析。这两种方法所求的固有频率误差小于8%,验证了理论力学模型的正确性,表明快速偏转镜的固有频率满足了预期指标要求。为了消除促动器非线性对定位精度的影响,本文采用PID算法对快速偏转镜系统进行闭环控制。针对传统PID控制算法参数整定难度高、适应性差、耗费人力等缺点,本文研究了基于BP神经网络的自适应PID控制算法。针对BP神经网络收敛难、稳定性差、容易过拟合等缺点,本文进一步提出了基于残差学习的BP神经网络PID控制算法。本文制定了PID控制器高阶评价函数,通过PSO算法进行全局最优参数搜索,并与BP神经网络结合,一定程度上解决了传统BP神经网络PID控制算法的缺点。通过一系列的仿真实验和分析,验证了该算法的合理性和稳定性。为了测试快速偏转镜整体的动静态性能,本文设计了控制电路,选定了驱动电路与检测电路,编写了微控制器程序,并进行了工作行程实验、分辨率实验、重复定位精度实验,结果表明本文所设计的快速偏转镜具有良好的静态性能。进一步,给快速偏转镜施加动态变化的目标信号,对比阶跃信号和正弦信号下三种PID控制算法的系统响应曲线,结果表明本文所提出的基于残差学习的BP神经网络PID控制算法具有更好的响应速度和稳定性。