近年来,随着海洋资源的不断开发,欠驱动水面艇的运动控制问题也逐渐成为研究的热点。由于欠驱动水面艇往往会在一些环境复杂的海域中执行任务,如礁石密布、暗流众多的环境,所以其某一个或者几个状态会受到一定的限制,如何处理欠驱动水面艇的受限问题具有十分重要的研究价值。此外,水面艇在执行任务的过程中会遇到风浪流等外部环境干扰,而且一些任务往往会对水面艇的控制时间上有着严格的要求,故欠驱动水面艇鲁棒性和执行任务的时效性也成为了研究的热点问题。本文针对欠驱动水面艇运动控制系统,考虑其状态和输出受限的情况,结合反步法、障碍李雅普诺夫函数法、有限时间和预设时间控制理论等,研究了欠驱动水面艇的轨迹跟踪和编队控制问题,研究内容如下:首先,研究了全状态受限欠驱动水面艇的轨迹跟踪控制问题。针对水面艇的欠驱动结构,将原系统变换为两个子系统,同时对约束条件也进行相应变换;通过设计一个有限时间干扰观测器来估计水面艇受到的扰动,构造tan型障碍李亚普诺夫函数,保证变换后的系统不违反限制条件;设计相应的控制器输入,保证系统的误差能收敛到零;仿真结果证明了所设计方法的有效性。其次,研究了纵向速度和艏向角受限的多欠驱动水面艇协同路径跟踪问题。引入积分视线制导律和有限时间干扰观测器来处理水面艇所受的匹配和不匹配两种扰动;构造非对称障碍李雅普诺夫函数,保证纵向速度和艏向角不违反预先设定的限制条件;结合有限时间控制理论,设计控制器输入,使编队中水面艇的纵向速度和艏向角的跟踪误差能在有限时间内收敛到零。仿真结果证明了控制器的有效性。最后,研究了视线距离和方位角跟踪误差受限的欠驱动水面艇预设时间编队控制。基于视线制导律将水面模型转化为领导-跟随形式的编队控制模型;然后设计了一个新的预设时间扰动观测器来估计环境扰动;构造障碍李雅普诺夫函数,保证水面艇编队的视线距离与方位角跟踪误差不超过其所受的限制条件;结合反步法与预设时间控制理论,设计出相应的控制器,使系统能在预设时间内完成编队任务。仿真结果证明了所设计控制器的有效性。