针对水面无人船的航向跟踪控制系统,本文进行了控制方案设计和系统仿真研究。全文在深入分析了无人船运动控制策略的基础上,基于分数阶控制理论,主要完成了以下工作:首先定义了无人船运动的坐标系统,再根据航向控制问题的实际需要,建立了无人船平面运动的状态空间型数学模型和传递函数型数学模型,并考虑了环境干扰和操舵伺服系统的动态特性,给出了风浪的干扰力数学模型和无人船舵机模型。其次在分数阶控制理论的基础上,提出了无人船航向控制的两种方案并分别进行了详细的设计。主要是改进了基本粒子群优化算法,又提出了基于径向基函数神经网络的控制器参数自整定原理,解决了分数阶微积分算子的引入所带来的控制器参数整定难的问题。此外,在方案二中还设计了无人船航向控制系统的卡尔曼滤波器,避免了环境噪声对船舶操纵性能的不利影响。最后结合无人船实例,在Matlab/Simulink平台上对所设计的控制方案进行仿真实验,结果表明所提方案均有效可行。即使在有风浪环境扰动的情况下,无人船也能够快速稳定的跟踪期望参考航向,体现了本文所设计的控制器具有良好的自适应和鲁棒性。