鉴于平流层飞艇的军事及民用价值,各航天航空大国相继制定平流层飞艇项目计划,积极开展可行性研究、关键技术攻关和飞行试验,但目前均还在实验阶段。本文总结了国内外研究现状,针对现有技术与发展的不足,首先重点研究了平流层飞艇的巡航过程,包括其路径规划及轨迹跟踪控制,其次研究了平流层飞艇的上升和下降阶段,主要是压差和速度的复合控制,具有重要的理论意义与工程应用价值。本文具体实现的工作如下:(1)基于Newton-Euler原理的平流层飞艇的运动学和动力学建模。首先介绍建立模型所需的参数和坐标系,其次根据坐标系间的关系推导得到运动学模型,然后进行受力分析,基于Newton-Euler方程建立完整的六自由度动力学方程。并且分析得出平流层飞艇平飞简化模型和纵向简化模型,以应用于后面的研究中。(2)基于热力学第一定律建立平流层飞艇升降过程的热力学模型。首先介绍外部大气环境随高度的变化,其次分析了上升过程中飞艇内部及其与外部环境的热量交换,最后根据理想气体状态方程和热力学第一定律推导并建立热力学模型。(3)针对平流层飞艇巡航过程的能耗、飞行时间、避障等问题,研究了平流层飞艇巡航过程中的基于Gauss伪谱法和SQP算法的路径规划。首先选取Gauss伪谱法离散飞艇的平飞简化模型,将无限维最优控制问题转化为非线性规划问题,然后使用SQP优化算法求解得到最优解。最后在MATLAB/SNOPT中仿真得到规划结果,并且给出了加入路径障碍后的规划结果。(4)针对平流层飞艇巡航过程的轨迹跟踪问题,基于六自由度动力学模型设计双环自适应模糊滑模轨迹跟踪控制器。首先设计较为简单的前馈PD单环控制并进行稳定性分析,以验证其可控性。然后提出单环滑模控制器,并根据仿真结果验证了滑模控制器对平流层飞艇系统的适用性。最后考虑到单环滑模控制器存在的响应速度较慢等,设计改进并提出双环自适应模糊滑模控制器:双环滑模控制器:外环控制器以位置误差为输入,输出作为参考速度,内环以速度误差为输入,得到系统输入;模糊控制器:针对滑模控制存在的抖颤较大等缺点,分别以内外环的滑模面为输入,滑模控制器参数?,k为输出设计模糊控制器,有效提高了控制器性能;自适应控制器:考虑到参数的不确定性,设计参数自适应控制器以在线估计飞艇的参数。基于MATLAB/Simulink中搭建了系统控制器模型,仿真结果表明了所提方法的有效性。(5)针对平流层飞艇的升降过程,基于纵向简化模型设计压差PID控制和速度反步控制的复合控制器。根据期望的压差,此时所处位置的高度和速度以及当前的实际压差产生控制信号作用于空气囊的阀门进行吸排气控制,以维持内外压差始终在期望压差附近,压差回路控制器采用PID控制。然后根据设计的参考上升下降轨迹,实际轨迹与理想轨迹的误差以及热力学控制回路产生的实际质量和大气密度产生控制信号作用于矢量推力装置和升降舵,以跟踪理想轨迹使平流层飞艇稳定的上升下降,采用反步控制设计速度跟踪控制器。基于MATLAB/Simulink搭建热力耦合模型及复合控制器,得到较为满意的仿真结果。