由于其特有的飞行能力，直升机在军事和民用的各个领域有着广泛的需求。直升机飞行控制技术是直升机研究中的一个重要研究方向，而直升机飞行控制的研究离不开数学建模、控制系统设计和飞行仿真这三个方向的研究。正是在这种背景下，本文开展了直升机建模、控制系统设计和飞行仿真的研究工作。首先，建立直升机的数学模型。分别计算直升机各个部件的气动力与力矩，得出直升机的非线性动力学模型，整个仿真模型最终在Matlab/Simulink平台上得以实现。为了结合控制律设计，在某些特殊飞行状态下（如悬停和低速前飞）进行小扰动线性化，将线性模型用于直升机的滚转、俯仰、偏航和高度等通道的控制律设计。其次，介绍了直升机飞行控制律的设计工作，根据直升机稳定性和耦合性的分析结果，对直升机的控制策略、控制规律进行了研究。采用PID控制方法实现了直升机在悬停状态下的增稳控制律。在此基础上，针对定高悬停飞行科目，设计了直升机的自动控制律（高度控制律、航向控制律及轨迹控制律）。对所设计的控制律进行综合仿真，仿真结果表明，给出的设计参数合理有效。再次，考虑到不同配平点上的直升机模型大范围变化，本文采用了一种强鲁棒控制方法（定量反馈理论）设计直升机在低速前飞(0~40节)下的控制器。首先介绍了采用定量反馈理论(QFT)设计多输入多输出系统的原理及一般设计过程，然后根据QFT设计理论，将预先定义的性能指标转化到尼柯尔斯（Nichols）图中的一系列边界约束，在此基础上设计出满足性能指标的姿态回路控制器。最后，仿真证明QFT能够解决由于模型参数不确定性所造成的控制系统鲁棒性问题。最后，在VC6.0平台下，开发了一套基于FlightGear模拟器的实时可视化飞行仿真系统，该仿真系统包括控制系统模块、动力学模型以及FlightGear模拟器。控制系统模块和动力学模型是在VC6.0平台下用C语言实现，可以实时模拟直升机的动力学特性和控制系统，FlightGear提供了逼真的视觉仿真效果模拟直升机运动。三个模块通过串口和基于UDP协议的网络通讯方式构成了一个完整系统，可以为直升机飞行提供实时的可视化仿真。