航天器轨道交会一直是航天工程中的重要问题，成功的交会是完成许多飞行任务的前提，比如，探测、维修、救援、对接、大范围结构集装以及编队飞行。然而，按照现有控制理论所设计的控制器在应用于航天器轨道交会时却往往达不到期望的控制效果，有时甚至连稳定性都不能保证。究其原因，一方面是因为数学模型与实际物理模型之间存在偏差，系统参数测量存在误差等不同因素，导致系统具有一定程度的不确定性；另一方面的原因是在控制器设计过程中没有充分考虑实际物理执行器件的测量误差，使得按照理论计算的控制信号施加在控制对象上有时不准确，有时鲁棒性差。基于这两方面的原因，本论文将运用不同的控制设计方法解决航天器轨道交会中存在的系统和控制器的不确定性、系统受到外界干扰、控制输入有界、航天器碰撞避免和燃料优化等一系列实际问题。具体说来，主要有以下几个方面的内容：第1章对本课题相关研究背景、航天器轨道交会发展状况和现有理论结果进行分析和总结，在此基础上，给出了本论文的结构安排和内容简介。第2章基于C-W方程，考虑系统不确定性及其控制器扰动，提出了航天器轨道交会的鲁棒非脆弱保成本控制问题。运用李亚普诺夫稳定性理论和线性矩阵不等式方法，获得了有控制约束的航天器轨道交会鲁棒非脆弱保成本控制存在的充分条件，这个充分条件以线性矩阵不等式的形式给出。将控制约束上界作为优化指标，形成了有线性不等式约束的凸优化问题，通过求解这个有约束的凸优化问题，可获得系统鲁棒非脆弱保成本最优控制器。运用这个最优控制器，航天器轨道交会任务在较小推力下就能顺利完成。数值例子仿真验证了所提出控制器设计方法的有效性。第3章在C-W方程框架下，考虑系统不确定性、控制器扰动、外部干扰以及控制约束，提出了航天器轨道交会鲁棒非脆弱H∞控制设计多目标问题。运用李亚普诺夫稳定性理论和线性矩阵不等式方法，获得了航天器轨道交会鲁棒非脆弱H∞控制存在的充分条件，这个充分条件以线性矩阵不等式的形式给出。将H∞性能指标作为优化指标，可获得有线性矩阵不等式约束的凸优化问题，通过求解这个有约束的凸优化问题，可获得一个鲁棒非脆弱H∞最优控制器。运用这个控制器，航天器轨道交会任务在外界干扰下可以顺利完成。本章中所提出控制器设计方法的有效性通过数值例子仿真得到了验证。在第2章和第3章内容的基础上，本文在第4章进一步研究了关于C-W方程的鲁棒非脆弱H∞保成本控制问题。基于李亚普诺夫稳定性理论和线性矩阵不等式方法，获得系统鲁棒非脆弱H∞保成本控制器存在的充分条件，这个充分条件以线性矩阵不等式的形式给出。将控制输入上界和H∞性能指标相结合形成一个混合优化指标，就获得了线性不等式约束的凸优化控制问题。设置适当的加权参数，并求解这个有约束的凸优化问题，可获得一个鲁棒非脆弱H∞保成本最优控制器。用这个所获得的最优控制器，航天器轨道交会任务在外界干扰下运用较小推力就可以顺利完成。为了说明本章控制器设计方法的有效性，提供数值例子进行仿真和验证。第5章基于T-H方程研究了有约束的航天器轨道交会燃料最优控制问题。首先，基于新的航天器轨道交会模型，形成了控制约束和无碰撞约束的最优控制问题。将控制参数化方法和时间尺度变换技巧相结合，有约束的最优控制问题可以近似为一系列有约束的参数选择优化问题。每个有约束的参数选择优化问题都可以看作一个有约束的优化控制问题。然后，运用精确惩罚函数方法将有约束的最优控制问题转化为一系列无约束的最优控制问题，并进一步证明，当罚参数足够大时，这些近似的无约束优化控制问题的局部最优解收敛于原问题的局部最优解。最后，通过数值仿真说明所提出控制器设计方法是有效的。第6章针对T-H方程，提出了航天器轨道交会的H∞控制问题。基于周期准黎卡提矩阵微分方程参数化方法，获得了航天器轨道交会鲁棒H∞控制器存在的充分条件，这个充分条件以周期准黎卡提矩阵微分方程的形式给出。运用快速多射数值算法求出周期黎卡提矩阵微分方程的解作为初值，进一步运用数值算法求解周期准黎卡提矩阵微分方程，从而获得系统的一个近似H∞最优控制器。用这个所获得的最优控制器，航天器交会任务在外界干扰下能顺利完成。最后，提供了数值例子说明本章所提出的控制器设计方法的有效性。在第5章和第6章研究内容的基础上，本文在第7章进一步考虑了航天器轨道交会鲁棒最优控制设计问题。运用控制参数化方法，将所研究的有约束最优控制问题转化为一系列有约束的有限维极小-极大最优参数选择问题。在此基础上，将有约束的有限维极小-极大最优参数选择问题转化为具有线性不等式约束的优化问题。最后，提供数值例子说明所提出控制设计方法的有效性。