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对一类带建模误差和不确定性外界干扰的船舶运动非线性系统，提出了一种基于神经网络和L2增益方法的航向自动舵设计。对模型中的建模误差采用在线神经网络予以辨识和补偿，避免了建模误差界定函数的经验选择；而对不确定外界干扰力项则采用L2增益设计，保证了闭环跟踪系统的鲁棒性。控制器设计步骤应用Lyapunov函数递推法，航向跟踪误差和神经网络权值误差被证明是一致终值有界的。合理的控制器参数选择保证了控制系统的跟踪精度。数值仿真结果验证了控制器设计的有效性。