高超声速飞行器因其具有飞行速度快、突防能力强等特点,在军事和民用上都具有广阔的应用前景。由于高超声速飞行器动力学模型具有强烈的非线性、耦合等特性,造成系统参数摄动现象,给控制器设计带来了巨大的困难,而且飞行器在复杂环境中执行高机动性能要求的任务时,执行机构频繁动作,使系统各部件出现故障的可能性也随之增大。为了保证飞行器快速稳定跟踪且准确完成既定任务,如何在满足控制系统设计要求的前提下,研究出可靠有效的容错控制方案成为本文研究重点。为此,从该问题出发,以高超声速飞行器纵向巡航段动力学模型为研究对象,从以下几个方面开展工作:针对含有参数摄动的高超声速飞行器动力学模型发生升降舵面偏转角随机漂移故障时,利用连续预测控制构成容错控制律,使得故障后飞行控制系统仍然可以实现快速稳定地跟踪期望轨迹。首先,对含故障项的飞行器输入输出反馈性化模型,设计扩张状态观测器在线实时观测速度和高度子系统中状态的高阶导数以及各子系统中由参数摄动和升降舵面偏转角随机漂移故障引起的综合不确定项;最后,保证控制系统稳定的前提下,采用泰勒展开方法建立预测模型,得到控制律的解析解形式。针对分别发生升降舵面偏转角卡死故障和损伤故障的高超飞行器,结合扩张状态观测器和预测控制进行容错控制器设计。考虑具有左右两个升降舵面的飞行器,其中一个升降舵面偏转角发生卡死故障时,或者飞行器升降舵面发生一定程度损伤故障时,基于其输入输出反馈线性化模型设计扩张状态观测器观测故障引起的未知函数项和状态导数项,并建立基于泰勒展开的连续预测控制器。考虑给定指令不一定符合飞行器动力学特性,或当升降舵面偏转角发生一定程度的故障时,都会导致执行机构超约束现象的出现,为此,本文对飞行器纵向巡航过程中执行大跨度机动任务时分别发生升降舵面偏转角随机漂移故障、卡死故障和损伤故障不同类型故障情况下,提出了基于分层预测控制的飞行器一体化容错控制设计体系,即双层协调一体化控制结构,将飞行控制参考轨迹重构和预测容错控制器设计分别作为上下层。首先,为了使飞行器能够快速准确地跟踪具有状态、控制输入等多约束条件限制的飞行轨迹,引入直接配点法,实现可行轨迹重构;然后基于飞行器输入输出反馈线性化模型,设计扩张状态观测器,并建立基于泰勒展开的连续预测控制器。