本文以临近空间飞艇所采用的螺旋桨为研究对象,从螺旋桨升力线理论出发,对高空螺旋桨进行设计点推进效率优化以及非设计点推进性能分析。然后,在此基础上,基于非线性观测器对螺旋桨进行控制并分析了引入螺旋桨动力学模型对飞艇控制效果的影响。论文主要工作如下:首先,基于升力线理论提出了一种简单高效的螺旋桨气动外形优化方法,可用于在给定条件下对高空螺旋桨进行初步设计,得到其最优效率和推进特性。通过CFD数值模拟获得了该方法所采用的典型螺旋桨翼型(S1223)的气动特性数据库。应用拉格朗日乘子法,将在特定条件下以螺旋桨扭转角和弦长分布作为参数的推进效率最优问题转换为求解非线性方程组的问题。其可快速高效地得到最优的螺旋桨扭转角和弦长分布。本文所采用的螺旋桨尾流模型为理想的等螺旋模型,其可适用于轻载到中等载荷螺旋桨。接着,通过CFD数值模拟对所形成的方法的精度进行了验证,并分析了不同螺旋桨桨叶数、半径和转速下的最优推进效率。同时,得到了最优推进效率和设计参数之间的关系。然后,根据上述得到的螺旋桨桨叶数、半径、弦长分布、扭转角分布等设计点条件,利用牛顿法计算出给定螺旋桨在不同进距比情况下的非设计点的效率、推力系数及扭矩系数曲线。并通过CFD数值模拟对所用方法的性能进行了分析。最后,以螺旋桨性能曲线作为输入,在六自由度飞艇动力学模型基础上考虑螺旋桨动力学模型,该模型直接将驱动螺旋桨的电机扭矩信号作为控制系统输入,建立了螺旋桨和电机的动力学方程,同时引入了由于外界扰动、螺旋桨桨盘来流速度变化所引起的螺旋桨推力损失动力学方程。基于非线性状态观测器的反馈控制方法对推力损失进行在线估计,基于李雅普诺夫稳定性理论设计了非线性控制律并证明了螺旋桨和观测器系统的“输入-状态”稳定性。通过所提出的方法与传统的未考虑螺旋桨动力学的控制方法进行对比,仿真结果表明,该方法能降低能耗并且可更好地追踪参考位置坐标和欧拉角,同时仅需要较小的电机扭矩值,这可避免电机过早出现饱和的问题。