从1957年人类第一颗人造卫星发射太空以来，现已有近万颗有效卫星在轨运行。一些卫星由于燃油耗尽或动力装置受损，导致其丧失姿态或轨道机动能力，造成巨大的经济损失。为延长这些失效卫星的在轨使用寿命，移除空间碎片，本文探讨了机械臂捕获失效卫星或空间碎片后形成组合体的相关控制问题。针对捕获后组合体的质心、质量特性以及执行器配置矩阵发生巨大改变这一背景，本文研究了组合体的姿态控制以及控制分配问题，主要内容包括：
　　首先，建立了不同执行器下的组合体姿态动力学方程。针对推力器驱动的组合体，考虑捕获后组合体的质心和推力器配置矩阵发生变化，在组合体体坐标系下建立了组合体姿态动力学方程。同时，针对反作用飞轮驱动的组合体，考虑捕获后组合体的质心和反作用飞轮配置矩阵发生变化，基于动量守恒定律，在组合体体坐标系下建立了组合体姿态动力学方程。
　　其次，考虑组合体质心以及质量特性已知且忽略外部扰动，研究了组合体姿态和姿态速度跟踪以及控制分配问题。基于比例微分反馈的直接参数方法设计了控制力矩。由于捕获前后组合体质心位置改变引起推力器配置矩阵改变，控制力矩需要重新分配。针对配置矩阵完全已知和存在误差的情形，分别提出了改进的基于零空间的控制分配法和具有多面体、多胞体以及线性形式摄动的鲁棒控制分配法。最后，数值仿真结果验证了所提的控制器、改进的控制分配法以及鲁棒结构控制分配法和优越性。
　　然后，考虑组合体转动惯量不确定性的情形，分别研究了角速度受限的组合体姿态跟踪和量测不确定的组合体姿态稳定问题。一方面，设计了一种结合动态∞范数受限控制分配的反步控制方案。首先，提出了一种基于扰动观测器的受限反步控制法，用以生成虚拟输入信号，使姿态和角速度跟踪误差收敛于零的小邻域内。其次，考虑执行器幅值和速率受限，通过线性规划法解决了动态∞范数受限控制分配问题，最后，仿真实例证实了所提控制算法的有效性。另一方面，提出了一种结合鲁棒控制分配的动态面控制方案。首先，建立了考虑测量不确定性的组合体姿态动力学模型。其次，基于两个非线性扰动观测器，采用反步法设计虚拟控制力矩，使闭环系统的所有状态收敛于零的小范围内。然后，针对重构后的反作用飞轮配置矩阵不确定的情形，设计了基于LMI的鲁棒控制分配方法。最后，仿真实例证实设计的控制算法使组合体姿态稳定控制。
　　再次，考虑受轨道控制力矩影响的情形，研究了带有预设性能的组合体姿态稳定控制和鲁棒动态控制分配问题。建立了考虑轨道控制力矩影响的组合体姿态动力学模型。基于非线性扰动观测器，设计了带有预设性能的动态面虚拟控制力矩，使得闭环系统的姿态在规定的约束范围内收敛到零的小邻域，其他闭环状态一致最终有界。针对推力器配置矩阵存在不确定以及考虑动态性能，将控制分配问题转化为最大最小最优问题，提出了一种鲁棒动态控制分配策略。仿真实例证实了所提预设动态面控制法和鲁棒动态控制分配算法的有效性。
　　最后，考虑组合体的执行器受故障的情形，研究了带有预设性能的组合体姿态容错跟踪控制问题。建立了考虑转动惯量不确定性、执行器饱和以及反作用飞轮故障的组合体姿态跟踪动力学模型。通过预设函数将“受约束的”状态转化为“无约束的”状态，并基于动态面法和非线性扩展状态观测器，设计了一种容错控制器，通过调整控制器参数使“无约束的”状态稳定，最终使闭环系统的姿态跟踪误差按预设轨迹收敛，且其他状态一致最终有界。仿真实例证实了所提算法分别在执行器故障和正常情形下均可以实现控制目标。