● 摘要
变体飞行器是一类能够依据飞行任务和飞行参数的变化而主动调整外形结构的新概念飞行器。通过多种形式的变形可以改善飞行器的气动性能和操纵能力，进而达到扩大飞行包线并适应不同飞行模式的目的。变体飞行器飞行过程中的外形变化不仅导致多种结构参数的变化，还会引起气动力的非线性变化和附加的惯性力和力矩，对稳定飞行带来严重影响。
本文主要基于切换控制方法研究变体飞行器在变形飞行中的控制系统设计问题。在完成变体飞行器的切换系统建模基础上，结合飞行器构型的链式切换特性，针对稳态飞行和大包线飞行下的姿态稳定与跟踪控制，分别提出适用于不同条件的切换控制方案，包括鲁棒平滑切换控制、有限时间平滑切换控制、鲁棒变增益切换控制和变结构控制等方法。论文主要研究工作包括：
1、考虑变体飞行器构型可变和质心移动特性，基于多体动力学建立其纵向非线性运动模型；考虑飞行器的变形运动建模，给出后掠角和机翼质心的运动模型；考虑飞行器的连续变形特性提出了链式切换律的定义，并针对稳态飞行和大包线飞行下快速变形的情况，分别建立了基于链式切换律的平滑切换系统模型和双信号切换多胞系统模型。
2、针对变体飞行器在稳态飞行中快速变形的情况，提出了一种基于状态观测器和广义系统的鲁棒平滑切换跟踪控制方法。分别基于平均驻留时间方法和构型依赖驻留时间方法分析了链式平滑切换系统的稳定性和鲁棒H∞性能，提出了一种鲁棒平滑切换镇定控制器的递推算法；基于广义系统理论建立了姿态跟踪系统稳定的充分条件，并考虑系统状态可能无法测量的情况，设计了带有观测器的广义系统鲁棒平滑切换跟踪控制器，保证变形过程中的姿态角跟踪精度。
3、针对变体飞行器在稳态飞行中快速变形可能失稳和掉高的情况，提出了一种基于有限时间稳定的鲁棒平滑切换动态输出反馈控制方法。分析了链式平滑切换系统的有限时间稳定性和有界性，并基于构型依赖驻留时间方法给出了保证系统有限时间有界和鲁棒性能的充分条件，设计了一类有限时间鲁棒平滑切换动态输出反馈控制器，相应的动态补偿控制增益可由线性矩阵不等式的递推算法求解给出，从而保证变体飞行器在快速变形时间段内的姿态和高度有界稳定。
4、针对变体飞行器在大包线内变形飞行的姿态镇定问题，提出了一种基于双信号切换和速度线性化的鲁棒变增益切换控制方法。在分析飞行器跨包线区域变形飞行特性的基础上，基于多胞权值速率有界约束给出了时变参数多胞系统稳定的充分条件，进一步研究了飞行器具有包线和构型双信号切换多胞系统的特征，分析了跨包线区域变形飞行的稳定性；基于速度线性化方法设计了鲁棒变增益切换控制器，从而保证系统在包线内的稳定性及鲁棒H∞性能。
5、针对变体飞行器在大包线内快速变形辅助机动中的姿态跟踪控制问题，提出了基于异步切换滑模面的变结构控制方法。首先设计了一类基于公共滑模面的双信号切换多胞系统积分滑模控制器，分析了滑模运动的稳定性、鲁棒H∞性能及滑模面的可达性；在此基础上提出了一类基于多滑模面的变结构控制方案，一方面，所提方法降低了设计的保守性，另一方面，在子系统快速切换过程中，通过相邻多胞子系统滑模流形交集的概念和子滑模面的异步切换方案，避免了反复出现滑模到达阶段的情况，从而保证了快速变形辅助机动过程中的姿态响应性能。