船舶作为海上运输的主要工具,对于推动海上贸易发展十分重要。目前,大多数水面船舶是欠驱动船舶,欠驱动是指系统控制输入个数少于其运动自由度。在航行过程中,船舶所遭受的海洋环境扰动及船舶动态存在明显的不确定,船舶推进系统由于物理限制,其所提供的控制力与力矩存在饱和约束,这些都会对船舶的航迹跟踪控制带来挑战。此外,在对船舶航迹跟踪控制器进行实船实验之前,如果对其进行硬件在环测试,可以避免直接进行实船实验而造成的财产损失和人员伤害。因此,欠驱动船舶航迹跟踪控制及其硬件在环测试系统的研究,具有重要的理论意义和应用价值。本文首先建立欠驱动船舶运动数学模型;然后考虑欠驱动船舶存在动态不确定和未知时变海洋环境扰动的情况,采用输出重定义方法解决欠驱动问题,构造扩张状态观测器,在线估计由船舶动态不确定和未知时变海洋环境扰动构成的总扰动,并基于滑模控制方法,设计欠驱动船舶航迹跟踪滑模控制律,使得船舶能够跟踪期望航迹;进一步,构造有限时间扩张状态观测器,在线估计由船舶动态不确定和未知时变海洋环境扰动构成的总扰动,并基于非奇异快速终端滑模控制方法,设计欠驱动船舶有限时间航迹跟踪控制律,使得船舶能够跟踪期望航迹,并实现跟踪误差在有限时间内收敛;综合考虑欠驱动船舶存在动态不确定、未知时变海洋环境扰动以及输入饱和的情况,采用输出重定义方法解决欠驱动问题,构造有限时间超螺旋扩张状态观测器,在线估计由船舶动态不确定和未知时变海洋环境扰动构成的总扰动,设计辅助动态系统解决输入饱和问题,并基于超螺旋滑模控制方法,设计欠驱动船舶航迹跟踪超螺旋滑模控制律,使得船舶能够跟踪期望航迹,并实现跟踪误差在有限时间内收敛。以一艘单桨单舵集装箱船S175为仿真对象,利用MATLAB/Simulink软件仿真验证上述所有控制律的有效性。最后,利用OP4510实时仿真机、I/O接口箱和PC机完成硬件在环测试系统的搭建,利用Lab VIEW软件设计硬件在环测试系统人机交互界面;利用MATLAB和RT-LAB软件建立能够模拟船舶运动和海洋环境扰动的实时仿真模型。将所设计的欠驱动船舶航迹跟踪滑模控制律实现为PLC控制器。以此为例,利用所研制的硬件在环测试系统对该控制器进行硬件在环测试,测试结果验证所实现的控制器以及所研制的硬件在环测试系统是有效的。