本文以基于DSP控制实验平台的飞行器大角度姿态机动教学实验为背景。针对大角度机动控制具有非线性、强耦合及不确定性等特点,应用李亚普诺夫理论、非线性系统变结构控制理论及逆动态解耦理论,对基于反作用飞轮的大角度姿态机动控制系统的非线性设计方法进行仿真和实验研究。首先,利用误差四元数建立了基于反作用飞轮的姿态机动控制模型,将姿态机动问题转化为误差四元数的调节问题,并对模型的不确定性进行了分析;同时对模型中的运算关系特性进行了证明。然后,采用Lyapunov方法分别设计了独立于模型的标量增益的线性控制律和矩阵增益的非线性控制律,从理论上分析和证明了在该控制律作用下的闭环系统是全局渐进稳定的;在Matlab环境下对不同条件和不同形式的控制律进行了仿真,给出了不同控制律下的控制系统性能指标,仿真结果表明设计的控制律对模型参数摄动和外界干扰具有较好的鲁棒性。其次,研究了基于变结构和逆动态解耦理论的控制律设计方法。选用二次型最优法设计了切换流形,并对滑动模态的稳定性进行了证明,基于指数趋近律推导了滑模控制律并进行了鲁棒性分析;考虑到大角度机动问题具有强耦合特点,又选用了逆动态理论先对系统进行非线性解耦,再基于变结构控制的鲁棒性进行了控制器的设计;并对所设计的控制系统进行了仿真,给出了不同控制律下的性能指标,仿真结果表明所设计的控制律具有全局渐近稳定性和较好的鲁棒性。最后,在实验室现有的基于喷气执行机构的大角度机动控制实验平台的基础上,开发了基于反作用飞轮的单轴大角度姿态机动控制半实物仿真实验系统;实验结果证实了理论分析和系统设计的可行性,对以反作用飞轮为执行机构的大角度姿态机动控制方案进行了验证;同时为空间飞行器姿态控制课程的教学提供了一个更丰富的实验平台,在大角度姿态机动控制的DSP实验平台开发方面为专业建设做出了贡献。