高超声速飞行器一般是指飞行速度超过5倍音速的飞行器,具有高机动、大航程等优点,有着巨大的军事价值和潜在的经济价值,是未来飞行器的一个重要发展方向,其中高超声速飞行器的控制技术是高超声速飞行器研究的难点和热点。高超声速飞行器采用发动机和机身一体化构形使得推进系统以及结构动力学之间存在强耦合作用,并且发动机对攻角变化的敏感导致了高超声速飞行器的气动力学特征存在严重的非线性,而飞行器的飞行高速度和大航程加重了运动模型的非线性程度和通道间的耦合程度。另外,高超声速飞行器数学模型还存在很大的不确定性。此外,其飞行高度和飞行速度跨越范围大,以至于受到外界干扰的影响,并且飞行速度快也对控制系统的反应速度提出了更高要求。因此,本文针对高超声速飞行器具有数学模型强非线性、强耦合、不确定性及受外界干扰等特点,对其高精度、强鲁棒性和自适应能力强的再入飞行控制问题进行了深入研究。具体研究内容如下:第一,为设计高超声速再入飞行控制系统,首先建立了高超声速飞行器的运动学和动力学方程,及其气动力和动力矩方程。进而利用所建立的模型对飞行器的开环特性和动态耦合特性进行仿真分析。并通过合理的简化,得到飞行器的仿射非线性模型,为后续控制系统设计打下坚实的基础。第二,针对高超声速飞行器数学模型的强非线性和不确定性问题,将自适应模糊控制与鲁棒H2/H∞控制相结合,提出了自适应模糊H2/H∞控制方法。该方法同时考虑了控制系统的鲁棒稳定性和动态性能。首先,采用模糊系统对被控模型进行重构,并设计重构系统的等效控制器,同时采用投影算子对参数自适应律进行修正以避免模糊控制器的参数产生漂移。其次,为补偿模糊系统的逼近误差和干扰对状态跟踪误差的影响,引入混合H2/H∞控制算法,并给出H2/H∞控制问题有解的充分必要条件,采用Lyapunov理论严格证明闭环系统的稳定性。进一步,将自适应模糊H2/H∞控制方法用于高超声速飞行器再入飞行反步控制中,提出了无限时间自适应模糊H/2/H∞飞行控制方法,使得控制算法易于工程实现,且有效抑制干扰、不确定以及模糊逼近误差的影响。最后仿真验证自适应模糊控制中引入H2/H∞控制,与自适应模糊H∞、H2控制相比,可以有效提高跟踪控制性能。第三,基于所建立的高超声速飞行器MIMO仿射非线性模型,提出了一种严格块反馈型的反步控制方法。首先,针对一类严格反馈型MIMO非线性系统,基于反步法设计控制器,并针对严格反馈型高超声速飞行器姿态控制问题,给出高超声速飞行器的反步控制方案。然后,为消弱不确定参数的影响,基于模糊系统对非线性函数的逼近能力提出了一种自适应反步控制方法。此外,为增强控制器对不确定参数的自适应能力,建立了具有时变参数的严格反馈型的高超声速飞行器姿态稳定回路模型,并提出了带有自适应参数估计的高超声速飞行器反步控制方法。利用Lyapunov理论证明了上述闭环系统的稳定性。最后,高超声速飞行器仿真验证所提出控制方法的有效性。第四,针对高超声速飞行器内部参数和力矩干扰不确定的特点,在第四章研究的基础上,提出了基于干扰观测器的反步飞行控制方法。首先,介绍了基于非线性干扰观测器(NDO)的反步飞行控制系统设计思想。其次,为提高干扰观测器的逼近速度,设计出具有有限时间收敛的自适应超扭曲滑模干扰观测器(ASTA-SMDO),并引入死区方法以避免ASTA-SMDO参数过大而导致系统不稳定。此外,为提高干扰观测器的逼近精度,提出了一种快速终端滑模干扰观测器(FTSMDO)的设计方法,并分别基于ASTA-SMDO和FTSMDO设计了反步飞行控制系统。最后,为增强控制系统对大不确定参数的自适应能力,基于FTSMDO观测输出设计出带有自适应参数估计的反步飞行控制系统,进一步改善控制效果。第五,为进一步提高整个控制系统的跟踪收敛速度,提出了一种具有全局快速收敛性的非奇异终端滑模控制方法。首先,分析了线性滑模的有限时间可达性、滑模运动的收敛性以及终端滑模(TSM)滑动模态的有限时间收敛性。其次,为保证TSM具有全局收敛性,提出了一种具有全局快速收敛的终端滑模设计方法。然后,为解决终端滑模控制(TSMC)和全局快速收敛TSMC的奇异性问题,提出了一种控制律非奇异且具有快速收敛性的终端滑模控制方法,即FNTSMC。理论分析表明,FNTSMC的控制律非奇异且在有限时间内收敛,但受不确定性和干扰的影响,闭环系统的跟踪误差只能收敛到平衡点附近的某一邻域内。最后,为进一步提高控制精度,提出基于FTSMDO的FNTSMC方案,仿真验证FNTSMC方法具有跟踪收敛速度快、控制精度高的优点。