机械系统的欠驱动特性是指系统控制输入向量空间的维数小于系统广义坐标向量空间维数的情况。对欠驱动系统的研究,不仅可以降低系统的费用及重量,而且可以降低因部分元件发生故障而对系统整体性能的影响。因此,近几年对欠驱动机械系统的控制研究得到格外关注。本文以常规水面船舶为研究对象,指出其在特定的控制要求下,系统具有欠驱动特性,并且针对欠驱动船舶镇定控制问题进行了研究。建立了船舶运动的动态数学模型,并推导出简化的三自由度欠驱动船舶数学模型。分析了该系统的非完整特性、平衡点特性以及小时间可控性。针对欠驱动船舶系统的小时间可控性的特点,设计非连续切换控制器,将系统分为两个子系统。对其中一个子系统,通过在子系统中增加附加收敛控制项,控制子系统的收敛速率,获得具有指数收敛速率的时变光滑反馈镇定律,对于另一个子系统,用非线性滑模的思想,通过切换控制使得两个子系统先后稳定,从而达到整个系统的镇定。本文设计的另一种欠驱动水面船舶镇定控制器是基于Backstepping方法和级联系统的特点,把欠驱动船舶系统数学模型分成两个通过积分串联起来的子系统,提出一种光滑时变周期状态反馈控制律,从而使得三自由度欠驱动水面船舶全局一致渐近稳定到原点。欠驱动船舶镇定控制问题中应用的主要方法有σ变换法、齐次法、反步法等。本文运用Simulink分别对所提出的控制器以及σ变换法、齐次法进行仿真,对比仿真结果,验证本文所设计的控制器可以使得系统的各状态收敛于原点且控制效果比较理想,其中设计的基于Backstepping的周期时变反馈控制器能够使系统的实际航迹曲线无振荡的收敛于原点,克服了周期时变状态反馈引起系统振荡的缺点。最后总结了论文的研究成果,并展望了以后在欠驱动船舶镇定控制领域需要进一步研究的工作。