随着海洋工程作业的发展和进步,自主式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）在海洋石油管道检测、船体检测、海洋测量、水下考古等领域都得到了广泛应用。自主式水下机器人系统具有非线性、耦合性、时变性等特点,且复杂多变的水下环境使其遭受着无法预知的外部干扰,因此对自主式水下机器人的轨迹跟踪控制提出了更高的要求。本文针对具有模型不确定性和外部干扰的自主式水下机器人系统借助滑模控制方法和干扰观测技术,设计自主式水下机器人的轨迹跟踪控制器。本文的工作可以概括为以下三部分:第一,研究了具有模型不确定性和外部干扰的自主式水下机器人系统的固定时间轨迹跟踪控制问题。1)针对不存在模型不确定性和外部干扰的自主式水下机器人系统,提出了一种固定时间积分滑模控制器,该控制器能够保证自主式水下机器人在固定时间内能跟踪期望轨迹;2)针对存在外部干扰的自主式水下机器人系统,设计一种固定时间干扰观测器对外部干扰进行估计,然后将观测器的输出值用于前馈补偿,提出了一种既能补偿干扰又能无抖振的固定时间积分滑模控制器,使得自主式水下机器人能够在固定时间内跟踪期望轨迹;3)针对带有模型不确定性和外部干扰的自主式水下机器人系统,提出了一种固定时间集总干扰观测器,进而给出了基于集总干扰观测器的固定时间积分滑模控制器,实现了自主式水下机器人的固定时间轨迹跟踪。最后通过比较仿真验证了本章所提方法的有效性。第二,研究了存在模型不确定性和外部干扰的自主式水下机器人系统的具有预定性能约束的固定时间轨迹跟踪控制问题。首先,为了提高自主式水下机器人系统的跟踪性能,引入了预定性能函数来约束输出跟踪误差;其次,设计了一种固定时间扩张状态观测器来估计未知系统状态和集总干扰,其中集总干扰包含外部干扰和模型不确定性;再次,利用观测器输出值设计了固定时间连续滑模输出反馈控制器,最终实现自主式水下机器人的固定时间轨迹跟踪;最后,仿真结果证明了所提方法的有效性和优越性。第三,研究了存在外部干扰以及模型不确定性情况下自主式水下机器人的固定时间轨迹跟踪控制问题。首先,设计了一种固定时间扩张状态观测器来估计外部干扰以及模型不确定性;其次,基于观测器输出值构造了新的非奇异终端滑模面,并根据滑模面设计了固定时间非奇异终端滑模控制器,从而实现了自主式水下机器人系统的固定时间轨迹跟踪;最后,利用仿真验证了所提出的控制器可以获得满意的控制性能。