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近年来，随着人们对海洋经济的不断发展以及海上地位的日益重视，各国对海洋资源开发和海洋权益维护的力度都不断加大，船舶作为海上重要运载工具也因此得到了广泛应用。在众多类型的船舶中，具有全驱动配置的水面船由于具有独立的横向推进装置可以有效完成一些操纵性和安全性要求较高的海洋作业任务，例如海底管道铺设、海上油气钻探以及海上扫雷作业等。这些海上作业的特点是都需要船舶沿着预先设定的轨迹精确移动以保证作业安全性和经济性，因此，对船舶轨迹跟踪控制方法研究具有重要的实际价值。但由于船舶运动模型具有高度非线性及强耦合性、水动力参数易发生摄动并且不可避免的受到外界未知海洋环境干扰，造成高精度轨迹跟踪控制系统设计具有一定的难度。因此，本文围绕这一控制问题，将船舶模型不确定性以及外界未知干扰、执行器输入饱和约束、跟踪误差输出约束、系统收敛时间有界、速度测量值未知等实际因素和需求考虑进轨迹跟踪控制设计中，以获得具有快速收敛性、高跟踪精度以及强鲁棒性的控制性能为目标，基于有限时间/固定时间控制理论，研究了全驱动船舶的轨迹跟踪控制问题，具体研究工作有以下几方面：
(1)针对存在模型不确定性、外界未知环境干扰以及跟踪误差约束的全驱动船舶轨迹跟踪控制问题，提出了基于自适应神经网络的有限时间轨迹跟踪约束控制方法。该方法利用径向基函数神经网络结合自适应技术对船舶模型中的未知水动力项进行在线逼近，并且在无需扰动界值信息的条件下，设计了一种非线性干扰观测器对神经网络逼近误差以及外界未知干扰组成的复合扰动进一步估计和补偿。然后，在反步设计框架下，利用时变障碍函数法结合有限时间稳定理论提出了一种具有跟踪误差约束的自适应神经网络有限时间轨迹跟踪控制器，并采用二阶指令滤波器结合辅助动态系统获取虚拟控制律的微分项，有效避免了反步法中的微分膨胀问题。最后，根据李雅普诺夫稳定性理论完成了基于神经网络闭环系统的有限时间稳定性证明，并通过仿真对比验证了所提控制策略可以有效提升系统收敛速度及控制精度。
(2)针对存在模型参数不确定性、外界未知环境干扰以及执行器饱和约束的全驱动船舶固定时间轨迹跟踪滑模控制问题，提出了基于终端滑模的固定时间轨迹跟踪控制方法。首先，提出了一种新型非奇异固定时间快速终端滑模面，可保证处于滑动阶段的系统状态在固定时间内快速收敛至平衡点。然后，根据齐次系统理论设计了一种实用固定时间干扰观测器，实现了在固定时间内对系统复合扰动的准确重构。并结合干扰观测器输出值，设计了一种非奇异固定时间快速终端滑模轨迹跟踪控制器，有效降低了滑模切换增益参数，并消除了船舶初始状态对系统收敛时间上界的影响。此外，为了从理论设计上避免传统终端滑模中的控制奇异问题，根据固定时间齐次系统理论和积分滑模控制，并结合所设计的输入饱和补偿器，提出了一种基于齐次积分终端滑模的固定时间轨迹跟踪抗饱和控制器，并通过对比仿真验证了所提控制方案相比传统有限时间齐次积分滑模控制器具有更好的控制性能。
(3)针对存在模型参数不确定性、外界未知环境干扰、跟踪误差约束以及控制信号光滑连续要求下的全驱动船舶固定时间轨迹跟踪控制问题，提出了基于扩展加幂积分算法的固定时间轨迹跟踪连续控制方法。首先，利用自适应技术对复合扰动未知上界进行估计，并结合扩展加幂积分算法设计了一种具有光滑连续特性的自适应固定时间轨迹跟踪控制器。然后，为了进一步提升控制系统的鲁棒性和控制精度，基于多变量超螺旋控制设计了一种固定时间精确鲁棒干扰观测器，可保证干扰估计误差在固定时间内收敛到零。并且通过提出一种具有输出约束的扩展加幂积分算法，为全驱动船舶设计了基于干扰观测器的固定时间轨迹跟踪约束控制器，实现了位置和艏向角跟踪误差严格位于预设约束边界内。最后，仿真试验结果表明了所提控制方案可保证轨迹跟踪误差在固定时间内收敛有界，并且系统具有更快的收敛速度、更强的鲁棒性以及更高的控制精度。
(4)针对受扰动船舶存在速度测量值未知、跟踪误差约束以及执行器饱和约束条件下的固定时间轨迹跟踪输出反馈控制问题，提出了基于扩张状态观测器的固定时间轨迹跟踪输出反馈约束控制方法。首先，根据齐次系统理论和李雅普诺夫稳定性分析提出了一种新型双幂次固定时间扩张状态观测器，实现了在固定时间内对船舶速度信息以及系统总扰动的同时观测，有效加快了观测误差收敛速度并消除了不同初始条件对观测器收敛速度以及观测精度的影响。然后，通过设计抗饱和辅助动态系统并结合输出约束扩展加幂积分算法，为全驱动船舶设计了抗饱和固定时间轨迹跟踪输出反馈约束控制器。最后，通过仿真试验验证了所提控制策略可以有效提升系统抗饱和能力，并具有良好的观测性能和控制性能。
(1)针对存在模型不确定性、外界未知环境干扰以及跟踪误差约束的全驱动船舶轨迹跟踪控制问题，提出了基于自适应神经网络的有限时间轨迹跟踪约束控制方法。该方法利用径向基函数神经网络结合自适应技术对船舶模型中的未知水动力项进行在线逼近，并且在无需扰动界值信息的条件下，设计了一种非线性干扰观测器对神经网络逼近误差以及外界未知干扰组成的复合扰动进一步估计和补偿。然后，在反步设计框架下，利用时变障碍函数法结合有限时间稳定理论提出了一种具有跟踪误差约束的自适应神经网络有限时间轨迹跟踪控制器，并采用二阶指令滤波器结合辅助动态系统获取虚拟控制律的微分项，有效避免了反步法中的微分膨胀问题。最后，根据李雅普诺夫稳定性理论完成了基于神经网络闭环系统的有限时间稳定性证明，并通过仿真对比验证了所提控制策略可以有效提升系统收敛速度及控制精度。
(2)针对存在模型参数不确定性、外界未知环境干扰以及执行器饱和约束的全驱动船舶固定时间轨迹跟踪滑模控制问题，提出了基于终端滑模的固定时间轨迹跟踪控制方法。首先，提出了一种新型非奇异固定时间快速终端滑模面，可保证处于滑动阶段的系统状态在固定时间内快速收敛至平衡点。然后，根据齐次系统理论设计了一种实用固定时间干扰观测器，实现了在固定时间内对系统复合扰动的准确重构。并结合干扰观测器输出值，设计了一种非奇异固定时间快速终端滑模轨迹跟踪控制器，有效降低了滑模切换增益参数，并消除了船舶初始状态对系统收敛时间上界的影响。此外，为了从理论设计上避免传统终端滑模中的控制奇异问题，根据固定时间齐次系统理论和积分滑模控制，并结合所设计的输入饱和补偿器，提出了一种基于齐次积分终端滑模的固定时间轨迹跟踪抗饱和控制器，并通过对比仿真验证了所提控制方案相比传统有限时间齐次积分滑模控制器具有更好的控制性能。
(3)针对存在模型参数不确定性、外界未知环境干扰、跟踪误差约束以及控制信号光滑连续要求下的全驱动船舶固定时间轨迹跟踪控制问题，提出了基于扩展加幂积分算法的固定时间轨迹跟踪连续控制方法。首先，利用自适应技术对复合扰动未知上界进行估计，并结合扩展加幂积分算法设计了一种具有光滑连续特性的自适应固定时间轨迹跟踪控制器。然后，为了进一步提升控制系统的鲁棒性和控制精度，基于多变量超螺旋控制设计了一种固定时间精确鲁棒干扰观测器，可保证干扰估计误差在固定时间内收敛到零。并且通过提出一种具有输出约束的扩展加幂积分算法，为全驱动船舶设计了基于干扰观测器的固定时间轨迹跟踪约束控制器，实现了位置和艏向角跟踪误差严格位于预设约束边界内。最后，仿真试验结果表明了所提控制方案可保证轨迹跟踪误差在固定时间内收敛有界，并且系统具有更快的收敛速度、更强的鲁棒性以及更高的控制精度。
(4)针对受扰动船舶存在速度测量值未知、跟踪误差约束以及执行器饱和约束条件下的固定时间轨迹跟踪输出反馈控制问题，提出了基于扩张状态观测器的固定时间轨迹跟踪输出反馈约束控制方法。首先，根据齐次系统理论和李雅普诺夫稳定性分析提出了一种新型双幂次固定时间扩张状态观测器，实现了在固定时间内对船舶速度信息以及系统总扰动的同时观测，有效加快了观测误差收敛速度并消除了不同初始条件对观测器收敛速度以及观测精度的影响。然后，通过设计抗饱和辅助动态系统并结合输出约束扩展加幂积分算法，为全驱动船舶设计了抗饱和固定时间轨迹跟踪输出反馈约束控制器。最后，通过仿真试验验证了所提控制策略可以有效提升系统抗饱和能力，并具有良好的观测性能和控制性能。