海洋蕴藏着大量人类社会发展所需却难以开采的自然资源,随着科学技术的进步,人类对海洋的探索与开发日新月著。水下航行器作为人类进军海洋的主要工具之一,受复杂海洋环境的影响,其运动控制系统中的执行机构可能发生各种故障,使得人员与设备的安全受到威胁。在面临故障时水下航行器所采取的故障诊断和容错控制措施,对提高人员和设备的安全保障具有重要意义。国内外开展水下航行器的故障诊断与容错控制研究已逾二十年,而较为系统解决执行机构故障问题的研究方案尚少。鉴于此,本文开展常见回转体式和框体式无人水下航行器(UUV)执行机构的故障诊断与容错控制研究,分别就UUV运动控制系统线性与非线性动力学模型的故障估计与检测、回转体式和框体式UUV运动控制系统执行机构的故障定位与辨识、执行机构发生故障但仍可控时的故障调节主动容错控制以及故障执行机构存在冗余时的控制重构主动容错控制等问题进行深入的研究,提出相应的算法并进行仿真实验。本文的主要研究内容如下：(1)研究模型控制输入的故障估计与检测问题。首先,从UUV运动控制系统的线性与非线性动力学模型着手,设计加性和乘性故障描述因子以表征模型控制输入因执行机构故障而发生的改变；并先后采用H∞滤波估计算法、线性观测估计算法和连续-离散无迹卡尔曼滤波估计算法,通过滤波器或者观测器实时获得线性动力学模型、状态全部可知以及部分可知的非线性动力学模型的故障描述因子估计。然后,结合故障描述因子的估计,设计故障检测函数,实时对比检测函数值与故障阈值实现故障检测。最后,通过仿真实验验证模型控制输入故障估计与检测算法的有效性。(2)研究回转体式UUV执行机构的故障定位与辨识问题。针对回转体式UUV姿态控制与动力推进两个子系统的舵面、舵机、螺旋桨和推进电机等机构,基于模型控制输入的故障估计与检测结果,结合传感器量测数据分析控制输入方程,在排除其它执行机构故障的前提下,定位出当前执行机构的故障,并通过解控制输入方程进一步实现故障辨识。根据分析结果,采用仿真实验验证舵面形变故障定位方法的有效性。(3)研究框体式UUV执行机构的故障定位与辨识问题。针对框体式UUV通常配置的执行机构——推进器,通过分析控制矩阵提出推进器的冗余关系分析算法,并给出框体式UUV故障推进器定位与辨识的前提；基于模型控制输入的故障估计与检测结果,分别研究仅配置标量推进器与配置有矢量推进器的框体式UUV故障推进器的定位与辨识问题；根据以上分析过程,归纳出框体式UUV故障推进器的定位与辨识算法。分别采用仅配置标量推进器和配置有矢量推进器的框体式UUV,建立仿真实验,验证所提故障推进器定位与辨识算法的有效性。(4)基于执行机构的故障诊断研究,解决执行机构发生故障而UUV却仍可控的容错控制问题。针对执行机构发生故障却仍然可控的情形,提出故障调节容错控制算法,通过调节反馈控制输入实现主动容错控制,并应用于舵面形变故障的主动容错控制分析。针对故障执行机构存在配置冗余的情形,提出了无冗余约束的冗余补偿与有冗余约束的冗余规划容错控制算法,前者采用冗余执行机构提供容错控制输入,后者从控制回路中删除故障执行机构并重新规划运动控制输入。通过回转体式UUV舵面形变故障和框体式UUV推进器故障的容错控制仿真实验,分别验证故障调节与控制重构主动容错控制算法的有效性。