空天飞行器（aerospace vehicles,ASV）动力学的复杂性主要体现在宽域飞行带来的速域差异性、高超声速飞行引起的气动非线性、推进/结构特性对飞行力学的耦合性及环境变化等未知动态造成的不确定性。动力学的复杂性提高了控制系统设计的难度,包括输入受限下不稳定系统的镇定问题、非最小相位系统的精确跟踪问题、姿态/推进/结构耦合问题及闭环系统的鲁棒性问题。为了满足闭环稳定性、鲁棒性与跟踪性能,要求控制系统具有足够的效能,然而控制系统是否具备处理这些动力学特性的能力需要在飞行器设计阶段进行确认。针对ASV动力学分系统耦合特性及面向控制的一体化设计问题,开展了面向控制的参数化建模方法,系统关联特性分析与综合及面向控制一体化设计的研究。主要内容包括:1.为了提高ASV概念方案迭代设计与模型数据高效获取,提出了ASV面向控制的参数化建模方法。在参数化模型的基础上,根据气动/推进/结构等学科的基本机理确定各学科相关性能的解析表达式,结合有限的高保真度数据构建ASV相对可靠的参数化模型数据库。其次,根据任务需求,提出了ASV面向控制参数化代理模型,提高了动力学分析、性能评估与一体化迭代设计的效率。2.为了明确复杂系统之间耦合对稳定性及闭环性能的影响关系,尝试量化分系统对控制系统的影响规律,提出了复杂多系统内部与外部关联特性的分析方法,为多系统耦合特性量化与分析提供了一种解决思路。从闭环稳定性、鲁棒性与跟踪性能三个方面,分析了本体特性对闭环性能的约束限制,讨论了关联特性分析在ASV姿态动力学中的应用,为外部关联特性对闭环影响的分析提供了参考依据。3.为了定量地确定关联项的稳定边界,基于保护映射理论提出了闭环性能约束下多变量稳定域的计算方法,为多变量协同变化条件下闭环系统稳定性分析提供了一种解决思路。构建了输出关联模型改善内环核心系统动态,并预测分系统关联特性的动态边界,结合外环高阶终端滑模控制,改善了系统输出的暂态性能,并降低了对控制能量的要求。通过ASV姿态动力学,验证了多变量鲁棒性分析与输出关联系统应用的有效性。4.针对于ASV面向控制一体化设计的需求,讨论了多系统一体化设计中优化问题的耦合类型与优化策略选取依据,改进了优化算法。通过分析多个优化问题之间的影响关系,确定了目标耦合与约束耦合两种类型及其对应的优化策略。之后通过对局部最优解的量子态描述,并改进了不依赖导数信息的全局智能鸽群优化算法。提高了种群搜索过程中的多样性,改善了群智能算法早熟的情况。5.分别对目标耦合和约束耦合两种优化问题进行了探讨并进行了面向控制的本体/轨迹一体化设计。采用正交实验分析了ASV一体化设计中的目标耦合情况。通过确定设计变量与性能指标的目标耦合程度,采用分层优化策略判定分系统优化的先后次序。讨论了面向控制一体化设计中约束耦合的情况,确定了闭环稳定性对静稳定度的约束限制。最后以爬升段燃料消耗为设计指标进行了考虑控制系统约束的轨迹优化,揭示了一体化设计的发展潜力。