近年来,随着无人机、无人汽车等先进技术的兴起,人们对其中搭载的伺服云台系统的性能要求不断提高。为跟进技术的高速发展和满足伺服系统的各种高性能需求,伺服云台系统的控制技术具有重要且迫切的研究价值。目前,基于经典控制理论的PID控制方案,在快速性、稳定性、鲁棒性和抗扰性能等多目标控制性能需求下已渐显乏力,而基于现代控制理论的控制设计方法很可能会成为进一步满足多目标控制性能需求的突破口。对于伺服云台系统,由于其结构中有许多柔性模态及非线性结构,导致系统存在多个谐振频点,在二自由度伺服云台系统中,更是容易引起轴间耦合,增大系统复杂性和控制设计的难度。而对于系统解耦,无论是在理论研究,还是在开发应用方面都还有很多工作要做。为研究二自由度伺服云台系统中的控制问题,本文根据云台的主要结构,搭建了一个具有二自由度转动定位功能的云台系统,模拟工业使用云台。针对该云台系统,首先,分析其中可能存在的各种非线性环节,并设计算法进行非线性补偿处理,增大系统的线性程度。然后,通过输入正交伪随机信号,采用基于脉冲响应的Hankel矩阵法进行系统辨识,得到双输入双输出系统状态空间模型。再使用平衡截断的方法,对所辨识系统的各子系统进行降阶,得到云台俯仰轴模型、方位轴模型和轴间耦合模型,方便对各子系统单独进行控制设计,减少控制设计的复杂程度。进行控制设计时,考虑到伺服云台系统要求较高的实时性,本文采用模型匹配算法进行前馈解耦控制器设计,以代替难以实际应用的高级解耦控制器。对于云台俯仰轴和方位轴子系统的控制设计,本文采用双闭环结构控制系统,以提高系统的抗扰性能,其中,速度环系统采用基于积分内模的LQ控制器,并与传统PI控制器作为对比,外置环采用简单滞后+PD控制器,防止控制器阶次过大的同时尽可能提高系统的快速性。最后,本文还提供了上述所有控制器的离散化方法,将所设计控制器在实际二自由度伺服云台系统中进行验证,取得良好效果。