我国疆土辽阔,人口稠密,环境、资源等因素在一定程度上阻碍了社会发展,因此大力发展高速列车（High-Speed Trains,HST）符合我国国情。当前,尽管我国高铁建设技术水平一直处于世界前列,并且在过去的建设运营中积累了大量的施工经验,然而关于高速列车行驶过程的动力学模型及其优化控制等基础应用研究仍是科研热点和难点。综合我国高速列车发展的需求和面临的形势,深化高速铁路相关基础理论和核心技术的研究,方能真正满足我国高速铁路运输体系建设和安全运营的要求。因此,研究高速列车行驶过程的动力学模型搭建及其优化控制的关键问题,对保证高速列车安全运行提供理论保障和技术支撑具有重要意义。本文以高速列车自动驾驶为研究基础,围绕高速列车在复杂环境条件下的行驶过程建模与速度跟踪问题的非线性控制器设计,重点进行了以下三个方面的研究工作:针对高速列车运行环境复杂多变,工况转换频繁的特征,根据高速列车自动驾驶系统的构造和工作特点以及机械力学、空气动力学等基本原理,分别建立了高速列车运行过程的单质点和推拉式模型。首先,将高速列车视为一个质点,建立了单质点系统模型;然后,从单质点模型出发,基于模块化的建模方式分别对系统的各个子模块进行建模,通过分析系统内部相互作用力,搭建了四节高速列车推拉式系统模型;最后,通过与传统单质点模型的仿真对比表明,推拉式系统模型在变坡点的实现效果要优于单质点模型。针对列车运行过程中存在非线性、耦合,且含有约束的问题,提出了基于非线性模型预测控制的高速列车速度跟踪控制方法。首先,利用欧拉法,建立面向控制的高速列车推拉式系统八阶离散数学模型;其次,通过分析列车准时性、节能性、舒适性指标及行车安全性得到了系统的优化目标和约束,进而将速度跟踪控制问题转化为一个带有约束的非线性优化问题,通过滚动求解非线性优化问题得到了满足性能指标和约束条件的控制输入;然后,设计了运行逻辑控制单元,实现了基于切换非线性模型预测控制的速度控制方案,解决工况切换时跟踪误差较大的问题;最后,通过仿真分析两种控制方案的跟踪误差及求解时间,验证了设计的两种控制方案的有效性。考虑高速列车在行驶中会受到阵风等附加阻力的外界干扰以及建模误差等内部干扰的影响,提出了扰动观测器与非线性模型预测控制相结合的速度跟踪控制方法。首先,设计了扰动观测器对外界干扰和内部干扰进行精确估计,并通过多组观测器系数下估计值与实际值的对比仿真,确定了扰动观测器的系数,从而利用设计的扰动观测器估计无法直接测量的各种干扰;其次,将扰动观测器的估计结果引入非线性模型预测控制方案和切换非线性模型预测控制方案中,实现了对扰动的精确补偿,提高了速度的跟踪控制精度;最后,分别通过基本阻力参数干扰和阵风干扰下的内外扰动仿真实验,分析了扰动观测器对控制性能的影响,验证了基于扰动观测器的控制方案的有效性。