在轨携带部分充液贮箱的航天器进行姿态运动时,贮箱内液体燃料会不可避免地发生晃动,液体燃料的晃动不但会影响航天器姿态运动的稳定性,而且对航天器姿态控制策略提出了更高的挑战。此外,航天器运行的环境总是存在外部未知干扰,而且还会受到自身参数不确定性的影响,因此充液航天器姿态控制系统是一个多输入多输出(MIMO)、耦合的不确定非线性系统。为了完成姿态控制任务,设计具有较强鲁棒性的航天器姿态控制器是非常有必要的。本论文以充液航天器为被控研究对象,建立充液航天器的耦合动力学模型,并且针对复杂航天器的姿态机动问题设计抗干扰姿态控制器,具体研究内容为:(1)将部分充液贮箱内液体燃料的晃动等效为一个简单的粘性球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出航天器刚-液耦合动力学方程和球摆摆动方程。将得到的充液航天器耦合控制系统与单一的刚体航天器控制系统进行对比,从理论上明确了液体晃动部分对刚体航天器产生的不利影响。采用相同的PD控制器对推导得到的充液航天器控制系统,和已知的刚体航天器控制系统进行仿真对比验证。仿真结果表明,传统的PD控制器对刚体航天器可以提供良好的控制性能,对于充液航天器难以实现良好的控制性能。本章所建立的刚-液耦合航天器动力学方程,为后续控制系统设计和数值仿真分析提供了理论模型。(2)针对充液航天器控制系统中存在外部未知干扰和参数不确定的问题,提出了一种线性-时变滑模变结构控制算法。首先给出传统的线性滑模变结构控制器的设计步骤,然后提出时变滑模输出反馈变结构控制策略,该控制器开关模型采用双曲正切函数代替传统的符号函数,从而削弱输入振颤效应,同时利用自适应控制技术对姿态增益参数和液体晃动位移变量进行估计。为了同时利用线性滑模面和时变滑模面的优点,设计了一种切换机制,该切换机制在一定约束条件下,可以依据系统当前的状态实现滑模面之间的有效切换,从而使系统的状态朝着期望的方向发展。仿真结果表明,线性-时变滑模变结构控制策略产生的控制性能优于任何单一的变结构控制策略。(3)针对在轨航天器控制系统中存在外部未知干扰、参数不确定和传感器测量不确定的控制问题,采用经典反步控制法、自适应控制算法和非线性干扰观测器设计自适应鲁棒控制器。在反步控制策略的设计步骤中,将测量不确定分别看作失配的集总扰动和匹配的集总扰动,然后设计相应的非线性干扰观测器对这两类集总扰动通过前馈方式进行有效估计和补偿。在此基础上,采用自适应控制算法对液体晃动位移变量进行有效估计,进一步得到了自适应输出反馈鲁棒控制器。仿真结果表明,提出的控制算法不但对系统的集总扰动有很好的鲁棒性,同时还能对闭环系统获得良好的控制性能。(4)针对航天器控制系统中同时存在外部未知干扰、参数不确定和控制输入饱和的姿态控制问题,提出了一种饱和抗干扰有限时间滑模控制方法。将干扰不确定和系统状态变量和液体晃动之间的耦合项看作系统的集总扰动,设计了一种有限时间积分滑模干扰观测器,保证系统的集总扰动在有限时间内被估计和补偿。在此基础上,基于快速终端滑模控制理论,提出了抗干扰有限时间滑模控制策略。设计的干扰观测器对引入的辅助变量进行补偿,克服了控制输入饱和的约束。仿真结果验证了提出控制策略的有效性和鲁棒性。