最近几十年,无人机飞速发展使得其大量应用于各个行业领域,但更长的续航时间和更低的能耗是人们持续追逐的目标。人们通过观察发现,鸟类在飞行中消耗的能量远远小于人造飞行器,因为这些鸟类可以利用滑翔技术在某种大气条件下不扇动翅膀而获得持久飞行。这种滑翔技术早在飞机产生之前就受到人们的关注。受鸟类启发的几乎无能耗或可以减少能耗的滑翔技术可能会对延长续航时间有所帮助。动态滑翔是一种利用大气中不均匀自然风的滑翔技术,但人们至今对它的理解还极其有限。本文研究工作如下:(1)滑翔飞行器动力学模型建立。开展了瞬时平衡假设的奇异摄动理论基础分析,依据瞬时平衡假设,在气流坐标系的基础上建立了梯度风环境中的三自由度平动动力学模型。建立了气流坐标系的能量模型,解析地分析了获能功率的最大值和速度空间中的获能边界。研究了各参数对于获能边界的影响,结果表明更大风梯度,更高翼载荷和更小阻力系数会放宽获能边界。(2)平衡点的存在性和相关几何性质分析。开展了动力学模型平衡点的求解,并给出了平衡点存在性判据的证明;平衡点的集合构成了平衡曲线,通过数值仿真得到平衡曲线分为上升和下降的两个独立分支,建立了下降平衡曲线和上升平衡曲线的存在性理论;依据该理论得到了工程上使用的指标判据,该判据可以将环境、气动和结构三个因素解耦;利用这个判据研究了最优升力系数、最小风梯度和翼载荷的影响。结果表明下降平衡曲线总是存在,而上升平衡曲线存在则必须满足一定条件,更大的风梯度,更高的翼载荷以及合适的气动参数有利于平衡上升。(3)平衡曲线的稳定性与分岔分析。开展了动力学方程和平衡曲线的归一化,使方程减少了一个参数;建立了归一化方程,以信天翁为例分析了平衡曲线的稳定性和余维1的分岔点;研究了由风梯度变化引起的余维2分岔和变化趋势。结果表明上升平衡曲线上存在稳定的部分使得飞行器可以自动上升,下降平衡曲线上稳定部分的分布则受风梯度影响而变化。(4)动态滑翔平衡点和最优控制关系研究。开展了平衡点和周期最优控制关系的讨论,建立了滚转角为0的平衡点是周期最优控制正则系统两点边值问题解的证明;利用频率测试理论分析了信天翁在两种情况下(有上升平衡曲线和无上升平衡曲线)平衡解的最优性,利用数值优化算法研究了平衡解和最优滑翔策略的关系。结果表明平衡解通过了频率测试且是周期最优控制,数值结果验证了平衡解也是不依赖初值和时间段选取的最优控制。(5)扰动风场中滑翔飞行器的迎角跟踪控制器设计。开展了基于匹配不确定性的模型参考自适应控制器设计,完成了在匹配不确定性和加入非匹配不确定性情况下仿真;分析了模型参考自适应控制器对非匹配不确定性的敏感性,研究了基于射影算子改进的自适应控制器鲁棒性,并对其进行了数值仿真。仿真结果显示鲁棒自适应控制器不仅具备模型参考自适应控制器的所有优点,还可以有效地抑制非匹配不确定性带来的参数漂移,保证了控制器整体性能和安全。论文围绕风梯度中固定翼飞行器动态滑翔动力学的平衡现象研究和控制器的设计,建立了平衡点分析模型,分析了平衡点特性,研究了平衡点的存在性与几何特征、稳定性与分岔以及平衡点同周期最优控制的关系。提出的方法和取得的结论可为进一步探讨动态滑翔机理和实现自主动态滑翔提供了理论支撑。