随着深部矿产资源能源的探明和发掘,使得深地地质勘探和开发成为必然。深部地质环境复杂,存在高温、高压、高徒构造和开采扰动等困难,使得钻进过程难度较大;同时,缺少考虑实际工况的钻具运动模型和钻进轨迹模型,以及合适的控制策略,使得钻进系统自动化发展受到限制,钻进轨迹难以达到理想的控制效果。由于钻具控制是形成定向钻进轨迹的基础,因此本文首先从钻具运动建模和控制出发,分析钻具运动过程的特性,提出钻具姿态控制策略;接着,分析钻进轨迹的演化过程和形成机制,建立钻进轨迹模型,实现对钻进轨迹的跟踪控制;基于轨迹方位角直接决定钻孔质量的好坏,进而讨论单回路轨迹方位角控制;随着钻进深入推进,不同地层导致钻压不确定性增大,研究考虑钻压不确定性的钻进轨迹鲁棒控制。论文的主要研究工作和取得的成果如下:（1）基于PI补偿器的定向钻具姿态控制钻具是钻进轨迹形成的直接载体,定向钻进轨迹需要定向钻具来实现。钻具运动过程具有复杂的非线性特性,难以有效地实现钻具姿态的控制。本文提出一种基于PI补偿器的定向钻具姿态控制策略。首先通过分析钻具运动过程及其运行机制,建立钻具运动模型;针对钻具运动模型中存在的非线性项,利用泰勒展开式和双线性逼近变换转换为适用于控制的模型;基于补偿控制思路,引入补偿器并与PI控制器组成PI补偿器,实现对钻具井斜角和方位角的准确控制。仿真实验分别从PI控制和PI补偿控制两个方面进行分析,结果表明该策略提高了定向钻具控制的精度,同时系统结构设计简单、系统稳定性强、易于操作实现等优点,具有较好地实用价值。（2）基于观测器的定向钻进轨迹控制通过控制钻具运动可以形成钻进轨迹,但钻进过程中钻进轨迹还受钻具组合、钻头/岩石接触、钻柱和井壁的摩擦等因素的影响,使得实际轨迹的井斜角和方位角与底部钻具组合（BHA）的井斜角和方位角是不完全相等的。现有的研究成果都默认实际轨迹和BHA的井斜角和方位角相同,这会给轨迹控制带来误差,导致钻进轨迹无法实现准确控制。针对这个问题,本文提出基于观测器的定向钻进轨迹控制策略。首先,分析钻进轨迹演化过程,描述轨迹井斜角和方位角与BHA井斜角和方位角之间关系,进而建立钻进轨迹模型;并运用变量变换技术使模型变换成适用于控制的模型;然后设计基于观测器的双回路闭环补偿控制系统,分析系统稳定性,获得控制器参数和观测器增益,实现对钻进轨迹的跟踪控制;最后,通过一个典型案例说明该策略的正确性和有效性。（3）具有时滞特性和角度耦合的定向钻进轨迹方位角控制钻进轨迹方位角直接决定了钻进轨迹的偏离方向,也决定钻孔质量的好坏,因而轨迹方位角控制对钻进轨迹控制是非常地重要。通过分析钻进轨迹变化过程,发现轨迹方位角与轨迹井斜角之间存在耦合,而且轨迹方位角的变化也存在时滞特性。本文提出一种解决定向钻进轨迹方位角的时滞特性和角度耦合的控制策略。首先,根据钻进轨迹方位角模型,建立轨迹方位角的状态空间模型,设计基于等价输入干扰思想的轨迹方位角控制系统结构,其中内模用来跟踪轨迹方位角的变化,而带有一阶低通滤波器的状态观测器基于测量的BHA方位角用来估计轨迹方位角;通过线性矩阵不等式形式得到系统稳定条件,从而获得控制器参数;通过数值仿真,说明该策略的有效性。（4）考虑钻压不确定的定向钻进轨迹鲁棒控制由于钻压是定向钻进轨迹一个非常重要的影响因素,其波动直接影响钻进轨迹的形成。为有效准确地跟踪控制定向钻进轨迹,本文提出考虑钻压不确定的定向钻进轨迹鲁棒控制策略。根据钻进轨迹运动模型,通过变量变换技术,建立带有钻压不确定的钻进轨迹状态空间模型;根据等价输入干扰的思想,设计两路闭环控制回路分别控制轨迹井斜角和方位角,其中内模用来跟踪轨迹井斜角和方位角,估计器用来描述估计误差,观测器用来获取轨迹井斜角和方位角的状态量;接着,变换成闭环系统标准化状态方程,然后选用合适的李雅普诺夫函数来分析系统的稳定性,通过线性矩阵不等式形式得到系统稳定性条件,并获取控制参数以及观测器增益。最后,通过实例分析该策略在钻进轨迹造斜段和水平段的扰动抑制情况,说明该策略的有效性和鲁棒性。