平流层飞艇作为一种低速,甚至是静止的空中平台,在通信、空间开发与监控、交通管理等领域具有广泛的尚未完全开发的应用前景。平流层飞艇自治系统的研究与开发,需要能够描述其内在物理性质的动力学模型,以及建立在此模型之上的先进的控制系统。本文针对飞艇的动力学建模与非线性控制两方面的问题进行研究。动力学建模的研究为以下几个方面:首先,通过Navier-Stokes方程、连续性方程、Reynalds第二输运方程、以及刚体运动方程,我们推导得出描述飞艇机体与周围流体耦合作用的方程,其中做了一些必要的合理假设,以避免直接求解偏微分方程;通过两种不同但却相关联、且都基于Helmholtz速度分解定理的方法,我们分析和描述了远处来流干扰(风干扰)。在推导过程中自然得出压块运动和主副气囊充放气导致的质量与惯量变化、流体附加惯性、粘性耗散、其他气动效应、重力、浮力等项。尽管难以给出飞艇机体周围流场的精确描述,但这一方法给出了适合控制设计和参数辨识的飞艇机体、压块、周围流体、来流干扰组成的复合动态系统完整的框架性描述。其次,为了给控制设计提供便利,我们利用Lagrangian和Hamiltonian约化理论,得出了飞艇动力学模型的Euler-Poincar′e描述和Lie-Poisson描述,这两种描述揭示了动力学内在的几何性质,在控制设计中有重要的作用。控制设计的研究为以下几个方面:首先,为了便于处理位形镇定和轨迹跟踪问题,我们定义了两类位形与速度误差,并由此得到两类位形与速度误差方程。于是,位形镇定和轨迹跟踪问题统一地归为位形与速度误差方程的镇定问题。其次,对于全激励的情况,利用Matrosov定理,我们为每一类位形与速度误差方程都设计了一种简单的控制器,使得闭环的位形与速度误差方程的原点是渐近稳定的平衡点。对于位形镇定问题,这种控制器只要求很少的模型参数信息,因而具有一定的对模型参数不确定性的鲁棒性。然而,难以在理论上证明,这种控制器具