风筝发电具有发电成本低、发电效率高、环保等优势,对高空风筝发电装置及其发电技术的研究在高空风能利用领域具有重要的意义。为了保证高空风筝发电系统稳定、经济、高效地运行并实现发电任务,对风筝飞行轨迹的优化和跟踪控制律的设计是本领域研究的关键。本文以yo-yo式高空风筝发电装置为研究对象,研究了其飞行过程最优参考轨迹的计算及实时优化跟踪控制问题。主要内容包括以下几个方面:1)为了研究高空风筝yo-yo装置的运动轨迹特性,分别建立空间运动轨迹模型和平面运动轨迹模型,在牵引绳索长度不变、匀速伸长和匀加速伸长三种变化状态下,分析了绳索长度变化对于风筝运动轨迹的影响,通过对飞行轨迹的仿真得出风筝发电系统是一个开环不稳定的系统,且两种模型在纵平面内的飞行轨迹和运动趋势一致,证明了空间运动轨迹建模的准确性。2)为了得到高空风筝发电装置满足约束和发电量最大的最优参考轨迹,分别对风筝开放式发电轨迹和闭合式发电轨迹进行轨迹设计与优化。通过对轨迹优化问题的求解时间、对初值的敏感度和平均发电功率三个方面对比分析了直接多重打靶法(MSM)和Radau伪谱法(RPM)在高空风筝发电轨迹优化问题的适用性,得出RPM更适合用来计算高空风筝最优发电时的参考轨迹。3)为了满足高空风筝装置对参考轨迹实时跟踪的要求,针对不同风筝装置设计了不同轨迹跟踪控制策略:针对绳长不变的船舶牵引系统设计了基于跟踪参考航向角的串级控制策略;针对高空风筝牵引装置对指定参考轨迹的跟踪问题设计了显式非线性模型预测控制器(NMPC);针对高空风筝发电装置的优化轨迹实时跟踪控制问题,提出基于优化反馈控制思想的非线性模型预测控制策略,并提出实时迭代策略(RTI),使系统在保证轨迹跟踪精度的前提下,减少数值迭代的计算量,缩短求解优化轨迹跟踪控制律的计算时间,提高了轨迹跟踪控制的实时性,通过仿真验证了控制器的鲁棒性。