随着航运业的发展,港口日趋繁忙,对船舶航行的安全性和经济性要求不断提高,对航向、航迹的控制精度要求也越来越高;现有的船舶控制系统以航向控制或间接航迹控制系统为主,其控制性能和结构都有待进一步的提高。因此,综合考虑船舶控制系统的各个部分(如舵机伺服系统),设计控制精度高的船舶控制系统已成为当今一个重要的研究课题。本课题的主要任务是在实际液压舵机模型和船舶四自由度模型的基础上,考虑船舶所受到的环境干扰力影响,对船舶航迹控制的两种方式及控制算法进行了研究。首先,利用MMG(Manoeuvring Mathematical Model Group)建模思想建立了船舶四自由度分离型数学模型及所受环境干扰力(风浪流)模型,基于谱分析理论对变动风和不规则波进行了仿真研究。针对船舶运动控制系统的主要执行机构—液压舵机系统,详细讨论了在船和螺旋桨干扰下的舵力和力矩的计算方法;以某一型号的液压舵机为对象,考虑舵机系统各部分的运动方程及其系统的控制方法,使用SIMULINK工具箱,在一定简化条件下建立了其动态数学模型,充分考虑操舵伺服系统这一舵角闭环的动态行为。船舶的航迹控制是本文另一个重点研究内容,其中对航迹控制的控制方式、航迹误差的计算以及转向航迹段的控制策略进行了研究。针对间接法和直接法,采用开关切换型模糊-PID和PID两种算法设计了航迹控制器。不同的海情下,在转向航迹段使用转向控制策略,使用开关切换型模糊-PID控制器对航迹控制进行了仿真。本文所设计的船舶航迹控制系统,对大型水面舰船的航行安全有一定参考价值,其中转向处转向控制策略的增加进一步提高了航迹跟踪的精度;液压舵机作为船舶运动控制系统的一个子系统,数学模型的建立及对其动态特性的研究,为研究船舶航向、航迹控制的准确性提供了条件。