水下滑翔机是浮力驱动的、固定机翼的自主式水下航行器。在水下以稳态滑翔为主要方式运动,因此,控制器大多是线性的。为了增强控制能力,进一步提高导航精度,尚需研究滑翔机的非线性控制方法。由于尺度与运动方式的限制,滑翔机的控制算法验证与系统辨识在常规水池中难于实现。为此,本文研究了反步非线性控制方法,设计了滑翔机的反步控制器,同时搭建了可灵活操纵的滑翔机实验平台。本论文基于传统滑翔机设计方案,结合实验室尺度机体的特点,设计制作了高能效、易操控的实验室尺度滑翔机。为保证控制算法在样机上运行的可靠性与准确性,着重考虑了俯仰姿态与浮力调节机构的运行精度,设计了高精度俯仰与浮力调节传递机构。同时,分别在电池搭载量与硬件低功耗两方面进行优化设计,保证了样机的运行时间。通过分析实验尺度滑翔机的特点,基于CFD软件,对样机的平板滑翔翼进行了优化,确定了机翼的形状及位置。针对该样机模型,考虑内部各移动部件与机体动力学的耦合关系,建立了纵平面内运动的三自由度动力学模型。该模型中含有浮力系统和推动装置的矢量位置等参数,有利于分析各机构对滑翔机动力学的影响。模型的建立为后续实验及算法研究提供了基础。为解决滑翔机的非线性控制问题,基于以上建立的样机数学模型,结合反步控制方法,分别推导了角度与浮力子系统的控制律。同时,利用输入输出反馈线性化与比例积分微分相结合的方法,设计了滑翔机纵倾运动控制器。完成了两种控制器数值仿真实验,并进行了对比分析。结果表明,二者均能较好的完成滑翔机纵倾运动控制,反步控制器对滑翔机的控制过程更快更稳定,但会使执行机构频繁运动,从而增加能耗。为简化控制算法移植步骤、加速控制算法到滑翔机本体的部署过程,以NI公司Labview、Veristand实时仿真系统为平台,设计实现了水下滑翔机快速控制原型(RCP)。利用该RCP平台,对滑翔机浮力调节系统、俯仰调节系统、深度及姿态测量系统等进行了功能测试。最后完成了样机的水池调试实验,实验结果验证了实验平台的易操纵性和高效性。