旋翼式飞行车辆,包括直升机,多旋翼和涵道风扇式飞行器,由于具备垂直起降、悬停和多种机动飞行的能力,因而可以完成很多重要的任务,例如:在一些危险的环境或地面车辆无法抵达的情况下执行侦查、运输、数据获取等任务。近些年来,欠驱动式无人飞行器的控制问题以及与其相关的应用吸引了大学科研机构、工业界以及军用领域越来越多的兴趣。本文针以一种新型的涵道风扇式飞行车辆为研究对象,对其自动飞行控制问题开展研究。以现代多变量鲁棒控制技术为基础分别结合多种混合性能指标以及非光滑优化算法,设计了多回路级联式的飞行控制系统以同时满足系统的快速性、精确性、鲁棒性、抗干扰性,以及低能量消耗等指标要求。本文应用先进的非光滑优化算法来解决控制器结构约束下的鲁棒控制问题、大包线飞行控制问题,以及执行器抗饱和问题。论文的主要内容如下:1.研究了飞行动力学机理建模和频域辨识建模相结合的涵道式飞行车辆综合建模问题。通过机理模型推导出适合辨识的最小复杂度飞行器动力学模型,不仅减轻了对模型分析过程的负担,降低了飞行辨识和模型修正的难度,而且便于设计高性能的控制器。2.研究了鲁棒悬停控制问题。首先,基于时间尺度上的差异将系统动力学划分为快变姿态系统和慢变平动系统,并分别设计了鲁棒控制方案,保证飞行车辆在悬停附近的快速稳定、控制输入端的鲁棒性以及阵风抗干扰性能。提出了一种便于控制器实现的三回路级联式控制结构,采用基于线性矩阵不等式的鲁棒回路整形技术快速求解得到了满足多种性能指标下的控制器参数。通过切换不同回路(姿态回路、速度回路和位置回路)能够实现多重控制目标。3.研究了大包线下的鲁棒飞行控制问题。涵道式飞行车辆系统动力学呈现出多输入多输出,非线性、非最小相位、高度耦合以及不稳定的特性。单一的悬停工况附近的线性控制器并不能处理对象的非线性行为。本文在经典的增益调节方案基础上,选取前飞速度为调节变量,将待设计控制器参数表达成关于调节变量的线性或简单多项式的形式,有效地提供了不同工作点下控制器参数的平滑过渡,省去了后续的增益插值过程。另一方面,执行机构的非线性因素影响了闭环系统的性能甚至稳定性。区别于传统的两步法抗饱和设计,本文将在原有控制回路基础上增加新的补偿回路,将抗饱和设计转化为一个多目标约束下的优化问题,反馈控制器和抗饱和补偿器实现了同时优化设计。