本文主要对船舶航向控制问题进行研究。船舶航向控制一直是海洋控制领域的重点课题,尤其是在当今全球经济蓬勃发展,物资流动迅速的环境下,人们对航向控制提出了更高更严格的要求。当今大部分航向控制器仍然采用Nomoto线性数学模型,忽略了船舶实际运动具有的非线性,已经不能很好地解决实际控制问题。针对这一情况,在查看大量参考资料后,发现鲁棒控制理论有解决航向控制问题的可能性。鲁棒控制理论是分析和设计不确定系统的一种强有力的工具,主要解决对象建模中的误差和外界干扰引起的模型摄动所导致的控制品质恶化的控制难题。鲁棒控制理论在实际工程中的应用也越来越广泛。各种鲁棒控制算法不断发展并日趋完善。本文对闭环增益成形算法进行分析说明,这种算法在理论上对不确定性系统的控制稳定性更强。Backstepping是一种运用系统化的方式构造反馈控制规律及相关的Lyapunov函数的非线性控制方法。本文对其进行系统介绍,重点分析了递推设计的算法原理和过程步骤,通过其与一般线性化设计方法的比较研究,总结出这一设计方法的优越性及局限性,为航向控制器的设计奠定了基础。之后本文对船舶航向运动过程进行分析和说明。在Nomoto数学模型和Norrbin数学模型的基础上,根据实际的航行环境和条件,分别建立不考虑外界干扰和考虑外界干扰的非线性船舶运动数学模型,针对后者,将闭环增益成形算法引入Backstepping设计方法中,进行航向控制器设计。具体的设计步骤可以简略概括为:化系统为严格反馈控制形式;假设系统的后一个状态变量是前一个状态变量的虚拟控制,通过适当的变量代换,构造适合的Lyapunov函数;逐步进行控制器控制规律的推导,使整个系统的平衡点满足一致渐近稳定。选取适当的参数之后,对本文设计得出的风浪扰动下的船舶航向鲁棒控制器在Matlab环境下进行仿真试验,仿真结果验证了这一控制器的有效性。