● 摘要
吸气式高超声速巡航飞行器（Air-breathing Hypersonic Cruise Vehicle,AHCV）是各国正在大力发展的新型飞行器，具有极其重要的经济和军事价值。以火箭基组合循环（Rocket-Based Combined-Cycle ,RBCC）发动机为动力的吸气式高超声速巡航飞行器在高超声速飞行时具有强烈的非线性、高动态、飞行包络线很大、飞行环境恶劣的特点，存在系统参数大范围剧烈变化、具有严重不确定性、外界干扰复杂等问题。这些问题都对飞行控制系统的设计提出了很大的挑战。
论文以RBCC发动机为动力的吸气式高超声速巡航飞行器为研究对象，针对其存在系统参数大范围剧烈变化、具有严重不确定性、外界内部干扰复杂等特有问题，基于鲁棒控制的思想，深入研究了吸气式高超声速巡航飞行器飞行姿态控制系统设计方法。论文的主要研究成果如下：
1．定义了相关坐标系及变量，建立了吸气式高超声速巡航飞行器完整的六自由度非线性动力学和运动学模型;考虑飞行器姿态控制系统设计的需要，在深入分析六自由度非线性动力学模型特点的基础上，建立了面向控制器设计的仿射非线性动力学模型。并根据气动数据，对飞行器的动力学特性，不确定性，外界、内部干扰进行了深入分析；归纳了飞行过程中的不确定性来源和干扰源。
2．针对吸气式高超声速巡航飞行器在爬升段由于RBCC发动机的模态转换给飞行姿态控制带来的既要有良好的控制性能，又要有较强鲁棒性的特殊问题，深入分析了RBCC发动机的不同模态之间的转换对飞行器动力学模型参数带来的严重影响,并将其描述为不确定性，将定量反馈理论与综合鲁棒控制有机结合，提出了一种/QFT鲁棒飞行控制方法，设计了吸气式高超声速巡航飞行器纵向姿态控制系统的/QFT鲁棒控制器。/QFT鲁棒控制器动态性能好，鲁棒性强，可保证吸气式高超声速巡航飞行器在爬升段的飞行姿态控制品质。
3．吸气式高超声速巡航飞行器进入高超声速巡航段，超高的飞行速度、恶劣的飞行环境将造成机体严重的弹性振动。因此，建立了考虑弹性模态的吸气式高超声速巡航飞行器非线性动力学模型。针对纵向控制系统，提出了基于Backstepping的非线性鲁棒控制策略。基于Backstepping控制的基本思想，将指令滤波器和滑模滤波器相结合，形成了一种新的基于Backstepping的非线性鲁棒控制器设计方法，避免了Backstepping控制器设计中出现的复杂爆炸性问题，简化了控制器的设计。同时，利用输入-状态稳定分析和小增益理论，证明了控制-滤波器的输入-状态模块稳定，并对吸气式高超声速巡航飞行器的弹性模态进行稳定分析，避免了构建一个全局的Lyapunov方程，简化了证明。
4．吸气式高超声速巡航飞行器由于高动态、飞行包络大、飞行环境恶劣，导致系统参数大范围变化。针对这一严重问题，通过引入指令滤波器,对传统的Backstepping非线性控制系统设计方法进行改进，并与非线性扩张状态观测器相结合，提出了一种基于非线性扩张状态观测器的Backstepping鲁棒控制器设计方法。将由于参数变化引起的系统动态视为不确定项，采用扩张状态观测器对不确定项进行估计。通过分别估计和补偿匹配、非匹配不确定项，形成了基于非线性扩张状态观测器的Backstepping鲁棒控制器设计方法。并将其应用于吸气式高超声速巡航飞行器姿态控制系统设计，设计的姿态控制系统能够适应高度、速度大范围变化，可保证飞行器的大跨度稳定飞行。
5．针对吸气式高超声速巡航飞行器飞行过程中外界干扰复杂，RBCC发动机的模态转换导致飞行器系统内部干扰严重的特殊问题，并同时考虑系统中的不确定性，提出了一种新型强鲁棒控制器构型。该强鲁棒控制器构型将控制器分为标称控制器和补偿控制器，采用非线性广义预测控制器作为标称控制器，并结合滑模干扰观测器对系统中的不确定性和外界、内部干扰组成的复合“扰动”进行估计。通过设计强鲁棒补偿控制律来补偿系统中的不确定性和外界、内部干扰，使整个闭环控制系统具有强鲁棒性。将此方法应用于吸气式高超声速巡航飞行器强鲁棒姿态控制器的设计，可大大提高吸气式高超声速巡航飞行器飞行过程中对外界、内部干扰的抑制和对不确定性的适应能力，保证吸气式高超声速巡航飞行器在整个飞行过程中的稳定飞行。
最后，对全文内容进行了总结与展望。