目前,随着飞行器任务的多样化、运行环境复杂化,对控制系统的安全性、可靠性及可维护性要求越来越高。故障是由于系统中部分器件功能失效而导致整个系统功能恶化的事件;同时复杂工作环境、外界未知干扰、模型误差、元器件参数变化而带来的不确定性对系统性能产生影响。对于需要高可靠性的系统,如飞机、高超声速飞行器等,需要控制系统在发生故障和各种不确定性的情况下,能够对不确定性具有鲁棒自适应能力和自动补偿故障的影响以维持系统的稳定性和尽可能的恢复系统故障前的性能。因此,开展典型故障模式下的不确定性系统的控制方法研究及其在飞行器的应用,是解决这个问题的关键。虽然当前有很多在航空航天领域的容错控制技术研究,但是关于飞行器故障模式下的不确定系统的控制方法设计难度大,不够成熟,仍然面临着许多挑战。本文从基于模型的故障估计和主动容错控制入手,深入研究了基于自适应滑模观测器技术的鲁棒不确定性/故障估计方法,系统的研究了不确定系统的故障估计与自适应容错控制一体化设计方法,并将研究成果应用于无人机姿态估计和飞机容错控制等。论文的主要研究内容和创新性工作有:第一,针对有传感器故障的系统,提出了一种光滑的滑模观测器可实现光滑的未知状态的无抖振估计;然后,对于状态边界未知的系统,扩展了自适应形式的光滑二阶滑模观测器。文中从Lyapunov稳定性证明过程给出了其参数选择的指导,深入分析了参数选择对观测器性能的影响。进一步,结合滑模观测器和非线性补充滤波器,设计了一种两步程序提高在传感器测量偏差和噪声下的飞行器姿态估计精度。这种方法的有效性充分在无人机姿态估计的数值仿真和实验测试的结果中验证。第二,对于部分状态已知,或者需要快速或有限时间实现故障重构的问题,开展了不满足滑模观测器的故障估计匹配条件的执行机构故障重构技术研究,通过坐标变换和辅助变量的引入,尽可能的解耦了故障与不确定性的估计;对于不满足解耦条件的系统,通过深入研究了观测器参数选取方法,最小化了干扰对故障重构的影响。最后,将所设计的方法在飞行器中验证,分别实现了飞行器的液压伺服系统振荡故障重构、升降舵漂浮故障重构以及垂直尾翼损伤故障重构。第三,设计了部分执行机构彻底失效情况的线性不确定系统的容错控制策略。文中利用微分器重构系统输出信号,通过坐标转换和构造Lyapunov函数,给出了控制器参数选取方法,结合一种在线的容错控制分配方案用于已有的基准控制器,并引入了模型参考前馈策略削弱执行机构饱和情况,完成了不需要改变原有控制器结构的鲁棒容错控制系统。然后,提出了故障估计与自适应积分滑模容错控制一体化设计方法。设计的控制策略考虑了故障估计和控制器之间的双向耦合作用,分析了为了保证系统稳定的最小驻留时间。通过闭环故障估计单元和控制器单元,一体化设计了观测器参数和控制器参数,增强了系统对不确定性和故障的鲁棒性。所设计的改进的积分滑模控制器的参数自适应算法,不仅实现了对干扰的在线补偿,而且保证了对故障估计信号误差的自适应补偿。深入分析了闭环系统的性能和干扰对故障估计和容错控制器闭环回路的稳定性的瞬态过程影响。从控制器性能分析中给出了观测器和控制器参数设置规律的指导。最后,仿真验证了本方法在大型飞机容错控制中的有效性。第四,对于非线性不确定故障系统,研究了由于故障发生时,故障估计引入容错控制系统的暂态响应。首先提出了基于参数时变的自适应干扰观测器,通过自适应参数调节策略尽可能的提高了系统的响应能力和降低跟踪超调现象。然后,针对故障下的非线性不确定系统,设计了基于干扰观测器补偿的非匹配不确定性系统的自适应鲁棒控制器。最后引入参考轨迹重构器的的思想,加入了一个辅助系统,这个系统给出了标称系统的控制器的期望性能,降低了系统暂态响应的恶劣影响。所设计的多变量快速二阶Super-twisting趋近律,能够获得连续的控制信号,避免抖振现象的发生,并且从Lyapunov稳定性证明过程给出了其参数选择的指导。该控制方案在再入飞行器滑翔段姿态控制系统中的应用,获得了比常规控制方法更好的控制性能。