近年来,柔性系统被大量应用于科学研究和工业生产中,逐步成为得到广泛关注的热点问题。柔性系统具有轻量化、低成本、易操作等物理特性,在智能制造、海洋工程、民生服务和航空航天等领域发挥着显著作用。大量对象可以使用柔性系统来描述,例如海洋立管、高层建筑、柔性机械臂等,它们都是典型的柔性梁结构。与刚性系统相对比,柔性系统具有灵活性高、能量消耗小、操作速度快以及安全性好等优点,同时也有一些研究难点,例如动力学特性复杂导致难以精确建模、系统物理特性导致结构振动、不同系统状态之间的相互耦合、以及基于分布参数模型的控制和优化设计难度较大等问题。已有工作大多基于集中参数模型来研究柔性系统,其优点是系统模型易于获得且控制设计简单,但由常微分方程描述的动力学模型忽略了柔性系统的很多信息,无法精确描述系统动力学特性,同时还存在溢出效应等问题。为了突破复杂环境下柔性系统的主动控制与优化设计的技术难题,本论文以几类实际柔性系统为研究对象,按照典型柔性梁结构模型、柔性梁-执行机构耦合模型、柔性梁-刚性梁耦合二连杆模型和柔性梁转动模型的顺序,由易到难的开展递进式研究,深入地研究了柔性海洋立管的鲁棒自适应容错控制策略、柔性高层建筑的优化控制策略以及柔性机械臂的轨迹跟踪控制策略等方法。具体研究内容如下:第一、针对柔性系统的经典理论模型柔性梁结构,考虑实际环境中的非线性输入间隙和需要满足的输出约束,首先进行动力学分析和建模,其次提出自适应反向间隙算法用来补偿输入非线性,使用障碍李雅普诺夫函数用来满足输出约束条件,最后提出主动边界控制策略,抑制柔性梁的振动。第二、针对海面船舶-海洋立管-海底设备的耦合柔性系统,考虑实际海洋工程中执行器出现故障的问题,提出多执行器结构以应对部分执行器失效的情况,同时考虑系统参数的不确定性以及未知外部扰动的影响,基于系统的级联模型设计鲁棒自适应容错控制,保证系统的稳定运行。第三、针对高层建筑的振动抑制和性能优化需求,通过摆锤的摆动来补偿高层建筑的振动,建立使用柔性梁来模拟高层建筑结构并使用刚性梁来模拟摆锤结构的耦合系统模型,设计主动边界控制方法,进一步结合自适应动态规划和平行控制算法,提出系统的优化设计策略。第四、针对柔性机械臂系统,考虑其振动控制和跟踪控制问题,基于系统的偏微分方程模型,使用奇异摄动法得到快慢子系统,提出基于自适应动态规划算法的优化控制设计,满足柔性系统振动抑制的需求并实现轨迹跟踪的目标。本论文讨论了几类柔性系统的动力学特性并建立了系统模型,结合其振动抑制、轨迹跟踪和性能优化需求,分别提出了相应的主动控制和优化设计方法,基于MATLAB数值仿真和Quanser实际平台的对比实验,验证了所提出方法的有效性。本论文所得到的研究结果对于进一步拓展柔性系统的应用场景具有重要意义。