由于高超声速飞行器具有速度快、突防能力强等优点,能够实现超远距离飞行、快速打击和远程投送等飞行任务,在情报收集、侦察监视、通信保障以及对空对地作战等领域,都具有其独特的优势。但由于高超声速飞行器具有强非线性、强耦合、强不确定性的特点,因此其控制系统的设计面临诸多难点问题。论文对高超声速飞行器具有代表性的纵向平面内控制系统设计进行研究,针对高超声速飞行器模型,提出适用的纵向轨迹跟踪控制系统设计方法,为高超声速飞行器所具有的不确定性问题、非最小相位问题、发动机性能恢复问题和控制系统优化问题给出解决方案,实现高精度、强鲁棒性的轨迹跟踪控制效果。论文主要研究工作包括以下内容:首先,论文给出高超声速飞行器的数学模型。在高超声速飞行条件下,对其稳定性、气推耦合特性、非最小相位特性进行分析,根据模型所具有特性,提出高超声速飞行器的控制系统设计需求。针对有翼锥形体高超声速飞行器,提出基于微分平坦理论的有限时间收敛轨迹跟踪控制方法。利用微分平坦理论完成非线性模型的输入/输出线性化,同时建立系统的全过程状态、控制输入与平坦输出之间的非线性映射,为期望轨迹的验证提供依据。基于有限时间理论,设计有限时间收敛滑模控制器,实现强鲁棒性的高超声速飞行器纵向轨迹的快速有限时间收敛跟踪控制。针对类乘波体高超声速飞行器,考虑其纵向模型的非最小相位特性,提出基于Byrnes-Isidori标准型的纵向轨迹跟踪控制方法。通过坐标变换,将具有非最小相位特性的纵向模型转化为Byrnes-Isidori标准型形式,得到系统的内外动态,并基于标准型给出高超声速飞行器纵向模型关于气动参数的非最小相位特性定量判据。为带有非最小相位特性的高超声速飞行器系统设计考虑系统内动态稳定性的动态积分滑模控制器,实现类乘波体高超声速飞行器的纵向轨迹跟踪控制,在镇定系统内动态的同时,有效地提高系统跟踪性能。考虑高超声速飞行器发动机的工作条件限制,提出带有速度约束的控制方法和发动机意外熄火后的性能恢复控制方法。首先对发动机工作条件进行分析,得到合理攻角范围内的飞行速度下限。以速度下限作为飞行器状态约束,基于对数型屏障函数提出带有约束的速度控制方法。然后,针对发动机意外熄火情况,考虑其作为推进系统可用控制输入的唯一性,采用轨迹调整的方式来恢复飞行器速度,当飞行器进入发动机可再启动状态范围时,完成发动机的再启动,并进一步实现对原期望轨迹的再次跟踪。针对复杂飞行任务背景下高超声速飞行器控制系统优化问题,提出基于性能评估的高超声速飞行器控制系统优化方法。首先根据高超声速飞行器的系统结构和任务需求,建立高超声速飞行器性能评估指标体系,然后考虑评估过程中过差的局部性能可能在综合后被淹没的问题,提出一种变权重属性层次模型性能评估方法,在系统局部性能差时,实现带有局部权重放大惩罚的高超声速飞行器控制系统性能评估。针对控制系统优化问题,考虑循环仿真时的优化效率问题,提出一种寻优范围可变的粒子群智能优化算法,实现优化性能和优化效率之间的平衡与折衷。最后借助高超声速飞行器性能评估与优化辅助工具,对控制系统进行综合性能评估,并完成复杂飞行任务背景下的高超声速飞行器控制系统性能优化。综上所述,本文系统地研究高超声速飞行器纵向轨迹跟踪控制问题。对其不确定性问题、非最小相位问题、发动机性能恢复问题、控制系统优化问题分别进行研究并取得一定的研究进展,对现有研究成果进行补充,为高超声速飞行器控制问题研究提供必要的技术支持。