高超声速飞行器(HSV,HypersonicVehicle)关系国家国防安全和近空间资源的利用,它已成为很多军事强国的研究重点。HSV再入飞行控制问题的解决对于完成飞行任务至关重要。其中,气动舵面受限约束、姿态角状态约束、外界干扰及参数不确定等问题使得控制方案的设计更具有挑战性。本文围绕再入过程中的这些问题,开展相应的研究工作:首先,建立再入飞行过程中的HSV数学模型,使用地心惯性坐标系作为参考系,考虑地球自转的影响,并加入反作用控制系统RCS模型,从而提供了更为完善的HSV再入飞行六自由度十二状态方程。其次,HSV再入飞行的近空间区域空气较为稀薄,气动控制舵面极易发生饱和现象。针对舵面饱和受限约束问题,设计了外部Anti-windup抗饱和补偿控制系统消除舵面约束对HSV再入姿态控制的影响,采用L2增益作为性能优化指标,设计基于PSO的迭代优化算法求解Anti-windup补偿系统解,结合标称非线性广义预测控制系统,实现了快速解除舵面饱和的目的,并使姿态角状态信号能够平稳跟踪指令信号,达到接近标称系统的性能要求。然后,针对再入飞行中HSV姿态回路所受干扰及参数不确定问题,使用基于双曲正切S型函数跟踪微分的干扰观测器(STDDO,Sigmoid Function Tracking Differential based Disturbance Observer)对外部干扰及参数不确定进行估计。同时,针对PSO易陷入局部最优解的缺点提出改进协同优化算法(ICOA,Improved Cooperative Optimization Algorithm)。在考虑舵面约束、不确定和干扰的影响下,设计了基于ICOA的Anti-windup补偿系统以及STDDO补偿系统的复合鲁棒约束控制系统。仿真试验验证了此方法的有效性。最后,对再入飞行的HSV设计满足准平衡滑翔条件的航迹角控制器,并从飞行安全角度考虑,HSV在进行航迹改变如俯冲、转弯等机动动作时,需要对飞行状态量施加指令性约束要求。针对此约束问题,设计基于障碍李雅普诺夫函数(BLF,Barrier Lyapunov Function)的控制律。仿真试验中对攻角和倾侧角约束的同时考虑航迹角回路与姿态回路的复合干扰,结果验证了约束控制的有效性,实现了航迹角指令信号的跟踪。