四旋翼无人机以其高机动性、易维护性及垂直起降能力得到了军事及民用方面的广泛应用,其应用场景和飞行任务也逐渐复杂化和多样化。然而,日益复杂的飞行环境和工作任务也给四旋翼无人机的飞行控制系统设计带来了许多传统控制方法难以处理的挑战,例如,四旋翼无人机在进行救援物资投递和农业植保的过程中携带时变载荷;伴随着野外复杂多变的风干扰和输入输出时延等多源扰动进行电力线路巡检等。鉴于四旋翼无人机在其姿态动力学方面呈现出的强耦合、复杂非线性和高度扰动敏感性等特点,上述因素对其姿态控制系统的稳定性和鲁棒性能提出了更高的要求。因而,本论文在深入分析四旋翼无人机姿态动力学特性及时变载荷等干扰对其影响的基础上,提出了几类切换LPV建模与姿态跟踪控制方法,保证了姿态跟踪系统的全局稳定性,以及在时变载荷、风干扰、执行器输出时延及模型参数不确定性等多源干扰下期望的鲁棒性能。具体而言,本论文的主要研究工作总结如下:针对带有时变载荷的非线性四旋翼无人机系统的姿态控制等问题,提出了一类切换LPV建模与鲁棒姿态跟踪控制方法。首先,在已有研究的基础上分析了时变载荷对四旋翼无人机姿态运动特性的影响。然后,将四旋翼无人机的姿态系统划分为姿态角回路和角速度回路,在姿态角回路设计了反馈线性化控制器,用于产生相应的角速度跟踪指令。在角速度回路采用LPV方法建模了时变惯量,并通过一系列线性化子模型组合成的切换系统逼近了原有非线性系统。引入了持续驻留时间（persistent dwell time,PDT）切换逻辑用于描述多个子模型之间的切换关系。基于多Lyapunov函数和不等式理论设计了连续时间状态反馈和动态输出反馈两种控制器,保证了误差跟踪系统的全局一致渐近稳定性和非加权L2-L∞干扰抑制性能。仿真实验验证了所提控制器设计方法在外界干扰和时变载荷存在时的精确姿态跟踪能力。在此基础上,对于混合性能约束下的四旋翼无人机跟踪控制问题,基于带有时变载荷的四旋翼无人机切换LPV模型,提出了两类有限时间有界姿态跟踪控制器设计方法。在姿态角回路同样采用反馈线性化方法产生了期望的角速度跟踪指令。在角速度回路,首先通过引入一类扩展的H∞/LQR性能,设计了一类有限时间切换多胞LPV状态反馈控制器,保证了有限时间段内误差跟踪系统期望的H∞扰动抑制性能和二次型性能函数上界。而后,通过将连续姿态误差跟踪系统离散化,引入更具一般性的模态依赖持续驻留时间（mode-dependent persistent dwell time,MPDT）切换逻辑,借助于参数依赖的离散多胞Lyapunov函数得到了一类离散切换多胞LPV状态反馈控制器的求解条件,保证了误差跟踪系统的有限时间有界和扩展耗散性能。最后,基于仿真实验验证了所提控制方法在有限时间段内对外界干扰的良好抑制性能。进一步,提出了一类切换LPV抗饱和建模与跟踪控制方法,解决了执行器存在故障和部分状态不可测时的四旋翼无人机饱和约束控制问题。首先,通过深入分析影响四旋翼无人机执行器饱和的因素,确立了一类综合考虑执行器饱和水平和故障因子的调度参数。在此基础上,利用切换LPV系统理论,建立了四旋翼无人机面向控制的抗饱和模型。通过构建一类基于模态和参数依赖状态观测器的切换多胞LPV状态反馈控制器,保证了姿态跟踪系统的全局一致指数稳定性和幅值有界干扰下的期望L∞性能。然后,引入一类时延依赖的Lyapunov函数,解决了存在执行器输出时延和模型参数不确定性时的切换多胞LPV状态反馈姿态跟踪控制器设计问题。最后,通过仿真实验分析了输出时延和参数不确定性等因素对四旋翼无人机扰动抑制性能的影响,以及所提方法对执行器饱和约束下的给定指令跟踪能力。最后,通过构建一类四旋翼无人机的切换LPV容错控制模型,对控制器与系统模态不匹配情况下的扰动抑制与容错跟踪控制问题进行了研究。首先,针对间歇性的执行器时变故障和故障检测时延,设计了一类参数依赖的多Lyapunov函数,提出一种异步切换LPV容错控制方法,通过增加额外的矩阵变量降低了控制器设计的保守性,并将非凸条件转化为易于求解的凸优化条件,保证了姿态误差跟踪系统的期望扰动抑制性能。而后,进一步设计了一类参数和时间同时依赖的多Lyapunov函数,并基于此提出了一种异步切换LPV鲁棒容错控制方法,解决了调度参数存在不确定性情况下的扰动抑制和姿态跟踪控制问题。仿真实验分析了调度参数不确定性等因素对四旋翼无人机扰动抑制性能的影响,以及所提方法在执行器故障时对给定指令的跟踪能力。