随着世界各国之间的贸易不断加强,水面船舶作为主要的交通运输工具,对其性能要求进一步提高。在两港口远距离航行时以及一些特殊场合作业时,我们总是希望水面船只在航行时能够抵挡住海洋干扰按照事先设置好的航向、航迹信号精准行驶。因此,对船舶航向及航迹的研究控制是一项极具价值的课题。本文以水面船只为被控对象,采用Backstepping控制算法,设计船舶航向、航迹控制器,主要完成以下工作:1.根据船舶运动特点以及研究的侧重点不同,从动力学角度出发建立了船舶六自由度数学模型,并根据其运动特点进一步简化为平面三自由度模型。同时为了便于航向控制研究与分析,建立了 Norrbin非线性数学模型。2.针对船舶航向非线性系统中存在模型参数不确定的问题,利用自适应技术对Backstepping算法中参数进行自适应调节,获得了一种自适应Backstepping航向跟踪控制算法。3.在航向控制系统中,考虑到执行器输入饱和特性和模型参数不确定同时存在的情况,采用辅助设计系统和自适应Backstepping控制算法相结合的方法,设计了船舶航向抗饱和鲁棒控制器。4.给出一种鲁棒干扰观测器的系统性设计方法,同时考虑了系统的干扰抑制性能、鲁棒稳定性、灵敏度性能等设计指标,建立了 Q滤波器的H∞范数评价函数。采用一种虚拟回路成型法,在H∞框架内求解Q滤波器。然后针对具体的船舶航向控制系统遭受的海浪频率特性,选取干扰及模型摄动的加权函数,建立性能评价函数并对其求解,设计了一种鲁棒干扰观测器。5.针对带有未知时变扰动、执行器输入饱和的三自由度全驱动船舶轨迹跟踪控制问题,结合干扰观测器设计了基于Backstepping的船舶航迹跟踪控制器,并且结合指令滤波技术解决反步法中的微分爆炸问题,以及引入滤波补偿机制。通过选取李雅普诺夫函数证明该控制器可保证闭环系统内所有信号的一致最终有界性。