随着国际战略对侦察任务要求的不断提高,提高侦察机的飞行速度十分必要。自从美国2001年遭受9·11事件后,五角大楼提出了“全球快速打击”的能力,目的是一小时内打击世界上任何一个目标,为此加大了对高超声速飞行器的研究力度。为了应对国际局势,我国有必要对高超声速飞行器进行研究,为原型机的研制提供一定的工程理论基础。本文以高超声速飞机为研究背景,一方面围绕高超声速飞机有动力状态下的定速巡航控制和自动着陆控制问题展开研究。另一方面,围绕高超声速飞行器在机场附近遇到发动机停车故障时,紧急迫降过程的路径规划、制导与控制问题展开研究。通过研究高超声速飞机各种状态的特点,分别给出了问题的具体研究过程和相应的处理方法。本文的主要工作和研究成果如下:1.研究了高超声速飞机在30km以6Ma定速巡航时的控制问题。高超声速飞行器定速巡航时,面临着严重的气动热弹性问题、机身与推进系统耦合的问题,同时系统伴有匹配不确定性、非匹配不确定性以及外界扰动的问题。为了应对上述问题,本文将首次将自适应Backstepping和滑模控制进行有机的结合。相比于传统Backstepping滑模控制方法,本文所提方法不仅能够处理外界扰动和匹配不确定性问题,还可以处理非匹配不确定性问题,同时还可以利用Backstepping方法有效地降低滑模控制引起的抖动。不仅能够在理论上证明所提方法的全局稳定性,而且利用数字仿真验证了所提方法的有效性。2.研究了高超声速飞机自动着陆的导引控制问题。高超声速飞机的着陆阶段是其飞行的最终阶段,也是最危险的阶段,主要是大气环境对着陆的影响,这些影响包括风切变、阵风和扰动风。本文针对这一阶段的控制问题,首次将自适应Backstepping滑模控制与动态面相结合,处理了Backstepping控制方法随着阶次增高而引起的复杂性增加的问题。最后通过数字仿真,利用所设计的控制器实现了高超声速飞机的自动着陆过程。3.研究了无动力高超声速飞机跟踪给定路径的制导律设计问题。从飞机迫降过程的制导律设计问题出发,本文首次从理论上证明了传统视线制导方法的稳定性,并结合单神经元PID控制的思想对传统视线制导方法进行了改进,使之成为自适应制导方法,数字仿真结果表明,无论在有无风扰动的情况下,自适应制导系统的跟踪精度都优于传统视线制导方法。另外,为了使飞机跟踪所设计的紧急着陆路径,本文首次设计了能够保证两种制导律之间顺利过渡的切换平面,该平面能够确保飞机能够跟踪3维空间中的Dubins路径。最后在数字仿真中验证了该方法的有效性。4.研究了高超声速飞机紧急迫降的路径规划问题。本文首次利用空间划分的思想处理了基于Dubins曲线的进场/返场阶段紧急迫降的路径规划问题。即飞机在一定的返场范围内,发动机出现故障时的位置任意、航向任意,所提方法均能生成滑翔致着陆窗的可飞路径。而且所提方法计算量低,只需简单地进行逻辑判断和小量的计算即可找到最优滑翔路径,适合无动力紧急迫降过程的路径规划。最后通过数字仿真验证了所提方法的有效性。5.研究了无动力状态下高超声速飞机的自动着陆导引控制问题。针对无动力自动着陆过程,本文首次设计了由直线和圆弧构成的无动力下滑轨迹,并设计了相应轨迹的导引律。这是因为无动力飞机的纵向控制采用空速控制构形,这使得采用圆弧轨迹更容易得到纵向控制系统所需的加速度指令信号。最后在数字仿真中完成了无动力飞机的自动着陆过程。