姿态控制系统是整个航天器控制系统中重要组成部分，属于典型的非线性系统，控制器综合难度大。近年来随着控制理论的发展，非线性控制方法被广泛应用于航天器姿态控制相关的研究中，不同程度地解决了航天器姿态控制领域中存在的几大类实际问题——对外部环境干扰力矩的抑制问题、对模型参数不确定性的补偿问题、执行机构出现故障的容错控制问题等。论文从工程实践与理论研究相结合的角度出发，针对前面提到的几类工程实际问题做了深入细致的理论研究，主要完成了以下几个方面的工作：　　1.针对存在外干扰及航天器转动惯量参数不确定性影响的航天器姿态机动控制问题，提出反馈线性化方法结合保性能方法的控制策略，设计了保性能鲁棒控制律，在航天器完成姿态机动任务前提下能够使系统满足设定的二次型性能指标。研究包括以下两方面内容：　　针对存在转动惯量参数不确定性影响的航天器姿态机动控制问题，提出反馈线性化方法与保性能方法相结合的控制策略，利用反馈线性化方法将航天器姿态非线性动力学模型变换成三个独立控制回路，之后进行分散控制器的设计。　　针对存在外部干扰以及转动惯量参数不确定性共同影响的航天器姿态机动控制问题，提出一种航天器姿态大角度机动的分散保性能控制策略，设计了相应的姿态机动分散保性能鲁棒控制器。　　2.以航天器姿态稳定任务和姿态跟踪任务为研究背景，根据飞行任务和研究问题的不同，设计了基于自适应滑模方法的航天器姿态控制器。研究包括以下三个方面内容：　　针对存在外部干扰的姿态控制问题，提出一种基于自适应滑模的控制策略，该方法用自适应律估计干扰上界，并利用滑模方法改善系统性能，设计了对外部干扰具有鲁棒性的航天器姿态稳定自适应滑模控制器。　　在前面理论研究基础上结合工程实际需求，针对执行器安装方式为三正交一斜装的航天器姿态容错控制问题，提出了一种将自适应滑模控制方法与时延技术相结合的控制策略。利用时延技术的逼近能力补偿执行器的故障，使外部干扰和执行器失效共同影响下的航天器仍能保持姿态稳定，体现了控制器对外部干扰和执行器失效的鲁棒性。　　针对滑模控制器中含有符号函数会引起系统抖振的问题，设计了一种可以减小系统抖振的自适应滑模姿态跟踪控制器。为了观察控制器抑制抖振的效果，在相同的系统参数和初始条件下，设计了含有双曲正切和符号函数的两种航天器姿态跟踪控制器，并对两组仿真结果进行了比较。　　3.以航天器姿态跟踪任务为研究背景，针对存在外部干扰和模型参数不确定性影响的航天器姿态控制问题，设计了基于反步法的姿态跟踪鲁棒控制器。研究包括以下两个方面内容：　　针对存在外部干扰影响的航天器姿态跟踪控制问题，提出了扩张状态观测器结合反步方法的控制策略，利用扩张状态观测器可以估计干扰真值而不是估计干扰上界的优点，及反步法可以把复杂的非线性系统分成若干级联小系统后，进行控制器设计以及稳定性分析的优点，设计了姿态跟踪控制器。仿真结果证明，扩张状态观测器结合反步方法的控制器对外部干扰具有一定的抑制作用。　　扩张状态观测器可以较为准确的估计外部干扰，但由于扩张状态观测器结合反步方法的控制策略鲁棒性不强。针对存在外部干扰和模型参数不确定性的航天器姿态跟踪问题，论文提出了反步法结合自适应控制的策略。用自适应律估计外部干扰上界和不确定性，克服了难于确定这些界函数的问题。把模型参数不确定性的估计值及外部干扰上界的估计值代入控制器，对模型参数不确定性进行补偿，对存在的外部干扰进行抑制，设计了对外部干扰及参数变化具有鲁棒性的控制器。　　4.设计开发了面向航天器姿控系统的半物理仿真平台，该平台包括用MICROSOFT VISUAL C++语言在PC机上开发的仿真算法平台和姿态控制计算机分系统两部分。仿真算法平台中包括航天器数学模型、执行器模型、敏感器模型、姿态确定及误差评估模块等。姿态控制计算机分系统包括姿态控制器、信号转换、冗余信号选择、执行器选择、控制分配等模块。论文中给出了利用半物理仿真平台验证论文设计的姿态控制算法的实例。