题目：高超声速飞行器非线性自适应控制方法研究

高超声速飞行器提供了一种可靠且费用较低的达到空间的技术手段，因此得到了世界各国的广泛研究。到目前为止，各国研究的高超声速飞行器广泛采用乘波体构型，并采用超燃冲压发动机作为动力。由于高超声速飞行器飞行速度高，气动力呈现出强非线性和不确定特性，乘波体构型和超燃冲压发动机的采用使得发动机推力和气动力之间存在较强的耦合，另外，高超声速飞行带来了气动角测量的不准确甚至失效。高超声速飞行器的这些动力学特性使得为其设计飞行控制系统充满困难与挑战。
本文主要研究高超声速飞行器控制系统的设计问题，根据高超声速飞行器对控制系统的要求，针对高超声速飞行器非线性动力学模型，在非线性自适应控制的框架下开展研究，重点针对参数不确定、外部干扰、状态不可测量、推力和气动力耦合等特性下的高超声速飞行器控制问题逐步展开了研究。主要的研究工作如下：
1．在充分借鉴国内外乘波体构型高超声速飞行器建模方法的基础上，针对该构型机体-发动机一体化设计的特点，基于高超声速空气动力学的相关理论，得到作用在飞行器上的力和力矩模型。依据飞行动力学理论建立高超声速飞行器的非线性动力学数学模型。在此基础上，通过曲线拟合的方式得到各项力和力矩系数的解析表达。在完成建模后，对开环系统的动力学特性进行了分析。
2. 针对存在未知气动参数的吸气式高超声速飞行器控制设计问题，提出一种基于不确定等价的自适应动态面控制方法。通过合理假设将高超声速飞行器动力学模型表达为严反馈形式，采用动态面方法完成了控制设计，基于不确定等价自适应方法实现了对未知参数的估计。该方法中控制器和自适应估计器分离设计，自适应估计器可以独立设计完成后再进行控制器设计，自适应更新律不依赖于控制器中的误差值，其稳定性可通过单独的Lyapunov函数保证。所提出的自适应动态面控制方案能保证未知参数估计误差全局一致稳定和闭环系统全局有界稳定。
3. 针对同时存在参数不确定和外部干扰的吸气式高超声速飞行器控制问题，提出了一种基于干扰观测的反步自适应控制方法并提出了一种减步设计策略。将参数不确定和外部扰动的影响均视为等效干扰，采用扩展状态观测器方法实现对等效干扰的估计，并在控制器中实现对干扰的补偿，从而抑制参数不确定和外部干扰的影响。滑模微分器可以实现对给定信号任意阶导数的精确估计，结合滑模微分器的此性质和俯仰角与俯仰角速率之间简单的导数关系提出了减步设计方法，该方法消除了传统动态面方案中最后一步指令滤波器带来的误差，因此跟踪精度高于传统动态面控制方法。
4．针对高超声速飞行器具有不可测量状态以及推力和气动力耦合问题，提出了一种基于变增益观测器的高超声速飞行器输出反馈控制方法。针对弹道倾角和攻角不可测量，设计了一种变增益观测器。针对推力对弹道倾角动力学的影响，分别在观测器中用变增益的方式和控制器中鲁棒项的方式消除。在设计观测器时，首先通过一种状态变换将模型变换为可观标准型，在这种情况下观测器的鲁棒性与变增益系数相关，通过变增益系数的自适应律设计保证观测器的稳定性。在观测器设计完成后，将实际系统的状态和观测器的状态重新组合成一个新的严反馈系统，采用动态面方法设计控制律。
5．针对高超声速飞行器具有不可测量状态并考虑不确定项问题，研究了一种基于降维观测器的高超声速飞行器输出反馈控制方案。在该方案中，不可测的弹道倾角及攻角信号由俯仰角及俯仰角速率通过降维观测器获得，观测器维度低，计算量小。针对不确定项带来的影响，将不确定项表达为自适应模糊系统的形式，根据跟踪误差完成模糊系统未知参数的估计，该方法解决了不确定项与攻角有关从而无法基于传统自适应方案实现估计的问题。通过动态面方法完成控制设计保证了闭环系统 的信号约束在一个紧集内，确保了自适应模糊方法的适用性。在控制器和观测器中对不确定项均进行补偿，抑制不确定项的影响，确保了良好的估计效果和跟踪性能。