缺氧是由呼吸血液系统供氧减少或组织用氧障碍所导致的人体病理过程。根据缺氧产生原因和循环血气的变化特征,缺氧现象可分为低张力缺氧、血液组织缺氧、循环系统缺氧和神经组织缺氧。其中吸入气氧分压过低通常会导致低张力缺氧,是飞行员的高空任务过程中最为常见的高空缺氧原因。为解决飞行员在航空任务时产生的高空缺氧现象,本文通过高空环境下人体供氧数据建立了血氧饱和度与供氧浓度之间的关系,并作为供氧模型设计了供氧控制器以满足高空环境下人体的氧气需求,最后搭建了供氧平台并验证了所提方法的可行性。首先,对人体呼吸系统进行了分析。包括肺组织的缺氧生理构造变化和呼吸气体组织交换过程,并通过观测肺内通气、肺表换气、气体运输、组织物质交换过程,确定了人体缺氧时所对应的生理特征。当急性高空缺氧发生时,随肺泡气氧分压的降低,动脉血液的氧分压及血氧饱和度随即降低,引起组织氧分压降低,因此组织氧分压是缺氧程度的重要生理指标。其次,建立了由一阶惯性人体高空供氧模型,为了确定人体高空缺氧时供氧模型的精确参数,在低压舱中进行飞行员的模拟2000-8000 m的高空实验,以观测飞行员所产生的高空缺氧数据。并基于实验数据,通过最小二乘拟合法对供氧模型进行了参数优化,确定了高空缺氧供氧模型的参数,包括人体呼吸系统的时间常数、动脉血氧分压对供氧量的敏感系数以及系统延迟系数。再次,为实现供氧,避免过供氧导致的副作用和氧气浪费,设计了基于比例积分的供氧控制器,利用李雅普诺夫稳定性理论,分析了系统稳定性,基于MATLAB仿真,对控制器的各项参数进行了优化,以避免控制器超调所导致过供氧,同时尽快将飞行员的血氧饱和度稳定在安全目标。然而比例积分控制器无法将血氧饱和度约束在一定的误差范围内,可能造成人体损伤,因此进一步设计了基于对数型障碍李雅普诺夫函数的状态受限控制器,在稳定血氧饱和度的同时考虑系统状态约束,使血氧饱和度在不违反约束的情况下实现跟踪控制。最后,设计并搭建了供氧平台的硬件及控制系统,所设计的供氧平台可实时检测飞行员的生理信号,并基于缺氧状态确定供氧参数,通过供氧执行机构将富氧空气输送给飞行员。并通过低压仓模拟不同海拔高度,对30位受试者进行了供氧实验。实验结果表明,供氧平台可通过稳定受试者的血氧饱和度快速缓解人体缺氧状态。