随着智能航运的构建与实施,人们对海上航行的安全性与经济性要求进一步提高,对具有完全自主航行能力的无人船的需求进一步增加,且对无人船航向控制的抗干扰能力的要求进一步提升。无人船在航行过程中,必定受到环境扰动的影响,恶劣的环境可能导致舵机过负载。由于舵机的饱和限制,指令舵角无法完全被实现;由于舵机伺服系统的时滞特性,舵机对指令舵角的响应滞后。此外,环境扰动的变化以及无人船自身的装载状态、吃水、船速的变化,使得无人船操纵数学模型参数具有不确定性。因此,开展无人船航向自抗扰控制研究,具有重要的理论意义和实际应用价值。本文首先建立无人船操纵数学模型及平均风扰动和二阶浪扰动的等效舵角数学模型。然后,考虑无人船操纵数学模型参数不确定以及未知时变环境扰动,构造扩张状态观测器,实时估计无人船操纵数学模型参数不确定和未知时变环境扰动构成的总扰动,并在前馈通道中对总扰动进行补偿,再根据状态反馈线性化原理设计无人船航向自抗扰跟踪控制律,保证了无人船闭环航向跟踪控制系统渐近稳定。进一步,考虑无人船操纵数学模型参数未知以及输入饱和,采用自抗扰控制技术,设计了无人船航向自抗扰跟踪控制律,使得无人船的实际航向跟踪期望航向,再采用无稳态振荡的极值搜索算法对所设计控制律的参数进行整定,改善了无人船航向跟踪控制性能,保证了无人船闭环航向跟踪控制系统全局一致稳定。最后,同时考虑无人船操纵数学模型参数未知、未知时变环境扰动、输入饱和以及舵机伺服系统的时滞特性,构造扩张状态预估观测器,预估舵机伺服系统时滞下的无人船实际航向和转艏角速度以及实时估计无人船操纵数学模型参数未知和未知时变环境扰动构成的总扰动,并在前馈通道中对总扰动进行补偿,再利用比例-微分控制方法设计无人船航向自抗扰跟踪控制律,保证了无人船闭环航向跟踪控制系统稳定且航向跟踪误差有界。以一艘军舰为例,利用MATLAB/SIMULINK对上述无人船航向自抗扰控制律进行仿真实验,仿真结果显示了所设计控制律的有效性和优越性。