浮空器是一种轻于空气的低速飞行器,具有垂直起降、载荷大以及留空时间长等优点,因此被广泛应用在执行各种军事和民事任务中,如对地观测,通讯中继等任务。借助定点悬停工作模式,浮空器可以实现长时间无动力定点悬停驻空,因此,定点悬停控制系统的设计是其实现浮空器长时间驻空的关键技术之一。但是,由于浮空器自身结构和工作环境的特殊性,浮空器定点悬停控制系统设计受到多方面因素的挑战。这些因素包括:浮空器非线性模型比较复杂,常规线性控制理论应用受限;浮空器的柔性结构导致一些模型参数具有较大的不确定性;浮空器飞行速度低,受外部风场扰动影响明显;执行器(矢量推力螺旋桨)功率有限,推力严重受限,执行器容易工作在饱和状态;恶劣的工作环境,热流和风场的影响容易导致传感器损坏,部分状态不易测量;由于浮空器庞大的体积,其位于腹部的控制器和外端的执行器之间距离较远,引起系统的控制输入存在较大时滞,导致控制系统性能下降甚至失稳。论文针对多螺旋桨组合浮空器定点悬停中的外部风场扰动估计、执行机构饱和抑制、部分未知状态估计以及未知输入时滞控制等问题进行了深入研究,提出了基于预测控制理论的综合控制系统,实现了浮空器的定点悬停。论文的主要内容如下:建立了多螺旋桨组合浮空器的非线性动力学和运动学模型,详细分析了模型中气动力和螺旋桨推力的作用机理。基于非线性动力学模型,建立了多螺旋桨组合浮空器T-S模糊线性化模型。针对多螺旋桨组合浮空器部分状态未知和执行器幅值和速率饱和问题,提出了一种线性规划和改进型Super-Twisting滑模观测器相结合的定点悬停预测控制系统。改进型Super-Twisting滑模观测器用于对未知状态进行估计,通过添加参数矩阵,可以显著提高观测器的收敛速度。线性规划控制分配器既解决了执行机构的幅值饱和问题,又解决了速率饱和问题。针对多螺旋桨组合浮空器强风场扰动估计和执行器饱和问题,设计了一种综合控制系统,该系统主要包含三部分:预测控制器,改进跟踪微分器和干扰观测器。利用干扰观测器估计强风扰动的大小,同时通过跟踪微分器规划过渡过程以达到饱和抑制目的。该系统具有解析形式的预测控制律,控制器求解速度快,辅助跟踪微分器和干扰观测器,实现了强风场条件下的高精度的定点悬停。针对多螺旋桨组合浮空器输入时滞控制问题,设计了一种基于鲁棒预测的定点悬停控制算法。该方法将定点悬停控制转换为路径跟随控制,并设计制导律以获得期望的速度和角速度。基于以上制导律设计鲁棒预测跟踪器,提出了一种李雅普诺夫函数,该函数能求解时滞下“最小-最大化”鲁棒预测性能指标上界,并推导了线性矩阵不等式以求解反馈控制器增益。该方法能够有效保证输入时滞系统的稳定性和控制效果。论文研究了多螺旋桨组合浮空器定点悬停控制的若干问题,以预测控制为基础,提出和改进了浮空器的一些抗扰动、抗饱和、状态估计和时滞控制等综合控制理论和方法,为解决浮空器定点悬停控制问题提供了技术方案,对浮空器的自主定点悬停控制系统设计具有重要的应用价值。本文提出的控制方法也适用于其他空间飞行器或类似控制对象。