高超声速飞行器具有飞行速度极快、飞行高度高以及机动性强等独特优势,得到了世界各国的广泛关注。近半个多世纪以来,以美俄为代表的各军事大国都开展了大量的高超声速飞行器相关关键技术研究,并取得了丰富的成果。但也由于高超声速飞行器的高动态、强非线性、强耦合、强不确定性和快时变等特点,作为核心技术之一的飞行控制系统设计仍然面临着巨大挑战。本文主要针对高超声速飞行器的巡航飞行控制问题,结合非线性动态逆、反演法、动态面、自适应和滑模变结构等几类非线性控制方法,进行了一系列深入研究。首先,基于锥形体构型的高超声速飞行器,采用牛顿-欧拉方法建立高超声速飞行器的六自由度模型,为了便于设计其巡航飞行控制系统,通过合理的简化假设,最终得到飞行器的纵向非线性运动模型。在标称情况下,通过雅克比小扰动线性化方法得到飞行器在特定平衡点处的线性模型,并对其进行了开环特性分析,发现该模型在复平面右半平面存在开环极点,飞行器的纵向模型是不稳定的,需对其开展控制系统设计。其次,采用精确反馈线性化技术,通过对速度和高度分别求3阶和4阶导数,实现了速度和高度子系统的解耦,得到了高超声速飞行器的纵向逆模型,并在此基础上直接设计动态逆控制器,通过极点配置,使得闭环系统跟踪误差特征多项式是Hurwitz的,保证了系统的稳定性。结合精确反馈线性化过程中的部分信息,设计二阶扩张状态观测器,实现了对系统参数不确定性和外界干扰的有效估计,并通过在控制器中的动态补偿,使闭环系统对扰动具备较强的鲁棒性。接着,以获得的高超声速飞行器纵向逆模型作为控制内环,提出了一种基于扩张状态观测器的鲁棒反演控制器作为控制外环,考虑到传统反演法中存在“微分爆炸”的问题,通过引入动态面技术,设计了具有更强噪声抑制能力的反双曲正弦跟踪微分器来求取虚拟控制量的微分信号,有效降低了传统反演控制器的复杂程度,并设计了结构更为简单、只有一个调节参数的线性扩张状态观测器,实现了对系统不确定项和外界干扰的精确估计和补偿,在保证高超声速飞行器对速度和高度参考指令稳定跟踪的同时,大幅增强了闭环系统的扰动抑制能力。然后,同样以纵向逆模型作为控制内环,设计了一种基于指数趋近律的自适应滑模控制器,通过设计控制器中切换项的自适应增益,有效克服了上界未知的系统不确定性参数带来的影响,保证了闭环系统稳定的指令跟踪性能。针对传统滑模收敛速度慢的问题,提出了一种基于多幂次趋近律的滑模控制器,设计了3个幂次项对系统趋近滑模面的不同阶段进行自主调节,使得系统状态收敛到滑模面的速度显著提高,还设计了基于反双曲正弦跟踪微分器的新型非线性干扰观测器对系统不确定性和外界干扰进行综合估计,仿真验证说明,和传统滑模控制以及基于双幂次趋近律的滑模控制相比,本文所设计的方法使得系统状态几乎全程都处在滑模面上,且非线性干扰观测器对扰动的估计误差能够在有限时间内收敛到原点的任意小邻域内,大幅增强了系统对参数摄动和外部扰动的鲁棒性和适应性。最后,针对高超声速飞行器存在的非匹配干扰和控制输入受限的问题,先将飞行器纵向运动模型转换为严参数反馈形式,在此基础上设计了自适应反演控制器,采用一阶低通滤波器求取虚拟控制量的微分,降低了控制器的设计难度,并通过设计的自适应估计补偿项,实现了对非匹配干扰和低通滤波器滤波误差的有效估计,再构造辅助误差系统对执行机构的实际输出进行补偿,有效改善了输入受限的问题。仿真结果表明,本文所设计控制器使得飞行器在非匹配干扰和输入受限的影响下能够实现对较大参考指令的稳定跟踪。