海洋是继陆地之后人类涉足的第二大战略空间，在国家的军事、国防、国际贸易、政治和外交等领域发挥着举足轻重的作用，特别是21世纪之后，这一趋势愈加明显。潜艇作为一种重要的海洋武器装备平台，在对抗航母和进行远洋突袭打击方面具有无比重要的作用。操纵控制技术是决定潜艇作战能力的一项核心技术，但由于潜艇本身是一个大惯性、强耦合的非线性系统，且数学模型不准确，还受到海流、海浪等不确定性外界因素的影响，这一系列因素的存在，使得潜艇操纵控制技术的研究非常具有挑战性。
　　本文主要针对有外界干扰和系统参数摄动的潜艇垂直面运动控制问题，采用滑模变结构控制、反演控制、鲁棒控制和自适应控制方法，并结合卡尔曼滤波及非线性干扰观测器技术进行研究和分析。具体研究内容如下：
　　第一，首先介绍了本课题的研究背景和意义，然后针对潜艇操纵控制技术、滑模控制技术、观测器及卡尔曼滤波技术等内容进行了综述。之后，依据坐标变换和刚体动量定理分别建立了潜艇六自由度运动学和动力学方程，然后，引入约束条件，对潜艇的空间运动模型进行简化，得到其在垂直面的运动学和动力学方程。
　　第二，介绍了滑模控制技术的基本实现原理，并详细分析了“抖振”现象存在的原因、危害以及削弱方法；随后，针对潜艇垂直面运动控制问题设计了幂次滑模控制器，考虑到符号函数本身的切换对控制系统的抖振影响较大，又分别利用饱和函数和一阶连续的双曲正切函数对原控制器进行改进，优化了控制效果。为实现对潜艇系统的有效控制及全局调节能力，将滑模变结构控制方法与反演控制方法相结合设计了反演滑模控制算法，然后在此基础上，又引入鲁棒控制和自适应控制思想进行控制器的设计，最后通过仿真实验对三种控制算法的控制效果进行了对比分析，结果表明，三种算法均可控制潜艇快速地趋近期望的深度和纵倾值，具体地，自适应反演滑模算法具有更快的趋近速度及更稳定的姿态控制效果，在操舵规律上也优于反演滑模和鲁棒反演滑模算法。
　　第三，针对潜艇在实际工作时传感器受外界环境干扰导致的数据采集不稳定的问题，设计了一种基于指数加权法的自适应卡尔曼滤波器；然后为进一步解决外界环境干扰和内部摄动问题又设计了非线性干扰观测器；之后，在设计的滤波器和观测器的基础上重新设计了自适应反演滑模控制算法。最后，基于Matlab仿真平台分别验证了自适应卡尔曼滤波器和非线性干扰观测器的可行性和有效性。
　　第四，对某智能潜艇控制系统的组成架构进行了介绍，并针对其中的运动控制单元详细分析了其组成结构、功能设计等内容。之后，对比了UUVSimulator与Matlab仿真平台之间的差异，并基于两平台分别开展了操纵性仿真试验，结果表明，两个仿真平台下该潜艇的操纵性能相差不大。最后，基于UUVSimulator仿真平台，针对本文提出的三种控制算法分别开展了不同工况下的仿真试验，并与Matlab仿真平台下的实验结果对比分析，结果表明，三种控制器在UUVSimulator仿真平台下的控制效果与在Matlab仿真平台下的控制效果基本相当，均能够实现对潜艇深度的鲁棒控制，证明了本文所提出的控制算法的有效性，具有一定的工程应用价值。