快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)是一种调节目标光源到接受器之间光束传播方向的小型精密光学仪器,因其结构紧凑、易装调、响应速度快及定位精度高的特点,被广泛应用于航空航天相机、激光通信等领域。本文以用于航空相机像移补偿的快速反射镜为研究对象,依托于某型双波段航空相机研发项目,对快速反射镜的结构及控制器设计进行了研究,主要内容如下:分析了FSM的主要技术指标及其构成部件,建立了两者之间的联系。根据二者之间的联系,对反射镜的镜面、柔性支撑、驱动电机、传感器进行了分析及选型,并通过FSM系统的结构和受力分析建立了系统的低阶近似数学模型。着重分析了作为反射镜关键部件的柔性支撑的材料选型、结构尺寸和机械性能,对柔性铰链的刚度、精度及固有频率进行了研究,并通过MSC.Patron和MSC.Nastran进行了有限元仿真分析,验证了柔性铰链各方面的性能。针对目前快速反射镜工程应用中所采用的PID位置闭环控制策略的不足,设计了一种双闭环二自由度控制器。首先,将系统可建模信息融入传统的扩张状态观测器(Expansion State Observer,ESO)当中,设计了一种基于模型信息的扩张状态观测器(Model-based Expansion State Observer,MESO),证明了其稳定性,并将MESO应用于反射镜系统,对系统受到的外界扰动及建模误差进行补偿。同时,利用MESO对系统速度信号的跟踪设计了速度反馈内环,使系统阻尼比增大,抑制了系统的机械谐振。然后,将MESO、速度内环与位置环结合,构成了双闭环二自由度控制器。最后,通过Simulink对所设计控制器进行了验证,结果表明,本文所设计控制器相比于传统的PID位置闭环控制器具有更好的带宽、抗干扰能力及鲁棒性。针对本文所设计的控制器参数配置问题进行了研究。首先从带宽的角度出发,在前人“3w”法的基础上做出改进,提出了“2w”参数配置方法,使MESO的带宽得到提高;然后从稳态误差的角度出发,设计了一种基于遗传算法(genetic algorithm,GA)的MESO参数整定方案,使MESO精度得到进一步提高;最后,通过仿真分析验证了参数整定方案的可行性。