近年来，随着船舶控制技术的发展，多水面船编队控制的研究已经成为船舶运动控制的热点问题之一。相对于单艘船舶，多水面船编队作业具有效率高、系统容错性和适应性强等优点。同时，多水面船编队有广泛的应用前景，如:远洋在航补给、海底测绘、护航编队以及海上巡逻、编队扫雷等，因此对多水面船编队控制的研究具有重要的实际应用价值。本文围绕此热点性问题，将船舶模型参数不确定及环境干扰、船舶速度测量值不可用、执行器输入饱和、系统收敛性能以及通信负载等实际约束条件考虑进多水面船分布式编队的控制问题中，主要进行了下列几个方面的研究工作:
　　(1)针对存在模型参数不确定以及未知环境干扰的多水面船分布式编队控制问题，提出了基于相邻交叉耦合同步控制策略的多水面船分布式编队的鲁棒控制方法。首先，通过设计相邻交叉耦合同步控制策略将相邻船舶间的位置同步误差和单船的跟踪误差组合成编队耦合误差，同时可调节耦合系数以调整单船跟踪和船舶相互间同步的权重。然后，采用神经网络和自适应控制技术对船舶模型参数不确定以及未知干扰进行逼近，并基于反步法设计多水面船分布式编队的鲁棒控制律，根据李雅普诺夫稳定性理论证明了系统误差是一致最终有界的。最后，仿真结果和对比分析验证了所提出的分布式编队鲁棒控制方法可以缩短编队形成时间，提高船舶间的同步精度，实现整个编队过程多水面船的姿态同步。
　　(2)针对多水面船编队控制中同时存在未知扰动、执行器输入饱和以及船舶速度传感器故障或技术及成本等原因导致的速度测量值不可用的问题，提出了基于非线性扩张状态观测器的多水面船分布式编队的抗饱和控制方法。首先，通过非线性扩张状态观测器同时观测船舶的速度信息以及受到的总扰动，并完善了三阶非线性扩张状态观测器的李雅普诺夫稳定性证明。然后，为避免反步法引起的微分膨胀现象，基于上述观测值及动态面控制方法在领航信息只局部已知的拓扑下，设计不依赖于精确数学模型的多水面船分布式的编队控制律。最后，针对船舶执行器输入的物理限制，在设计的编队控制律中嵌入提出的广义饱和函数，突破了采用特定饱和函数的局限性，使得多水面船在未知扰动、速度测量值不可用以及执行器输入饱和等多重约束条件下实现分布式编队，为工程应用奠定理论基础。
　　(3)针对未知扰动条件下且速度测量值不可用的多水面船有限时间编队控制问题，提出了基于有限时间扩张状态观测器的多水面船分布式编队的有限时间控制方法。首先，在只已知船舶位置信息的条件下，设计一种有限时间扩张状态观测器同时观测船舶的速度信息和系统的总扰动，并使得速度观测误差和扰动观测误差均在有限时间内收敛。其次，在领航信息只局部已知的通信结构下，基于上述的观测值，结合齐次法设计多水面船分布式编队的有限时间输出反馈控制器。最后，根据齐次理论和李雅普诺夫稳定性判据证明了整个闭环系统的有限时间稳定性。仿真结果验证了所提出的有限时间输出反馈的编队控制方法的有效性，且相比于传统的输出反馈编队控制方法，可以为多水面船编队提供更快的收敛速度，更高的控制精度以及更强的抗干扰能力。
　　(4)针对执行器输入饱和的多水面船在领航加速度局部已知和速度测量值不可用的有限时间编队控制问题，提出了基于加速度分布式有限时间估计策略的多水面船有限时间编队的输出反馈抗饱和控制方法。首先，针对船舶存在速度测量值不可用以及总扰动的情况，设计双幂次有限时间扩张状态观测器同时观测船舶的速度信息和受到的总扰动，提高了速度观测误差和扰动观测误差的收敛率。其次，设计一种加速度分布式有限时间估计策略，去掉了领航加速度全局已知的假设条件，实现船舶在有限时间内对领航加速度的估计。然后，结合齐次法以及设计的饱和函数，提出领航加速度局部已知条件下的多水面船有限时间编队的输出反馈抗饱和控制器，利用齐次理论和李雅普诺夫稳定性判据证明了整个闭环系统的误差信号可以在有限时间内收敛到零。最后，由仿真结果验证了即使在执行器输入饱和的条件下，所提出的有限时间编队控制方法仍可实现良好的控制性能。