随着近年来海洋探索的不断深化,以船舶代表的水上运载工具任务日趋复杂,新的船型也随之不断涌现。比如船体的数量从单体发展到双体,再发展到三体甚至双M型船的五体,从传统的排水型船舶发展到非排水型的水翼艇、气垫船等。为提高适航性,又发展出了比如小水线面船、穿浪艇、极细长船等概念。这些新型高性能船舶不断突破传统设计理念,将船舶工程的发展推到一个新的高度的同时,也对一些传统的相关技术和方法提出了新的要求。船舶的姿态稳定控制1就是其中一个显著的方面。船舶的姿态稳定控制是船舶运动控制中的一种,指的是按照一定的方式,通过推进器或舵、鳍等装置将船舶的运动姿态,如横摇、纵摇等,稳定在一个可接受的范围内。由于普通船型一般都具有较好的静稳性和较大的纵摇阻尼,姿态稳定控制基本都是指的横摇的减摇控制。然而,对于高性能船舶,其对姿态稳定控制的要求就较为复杂。如水翼艇在滑行时是静不稳定的,需要有效的姿态稳定控制系统来保持其滑行稳定性;小水线面双体船虽然具有较好的耐波性,但在某些情况下会出现横摇和纵摇复合的涌动形态,这需要多个控制面同时配合工作才能有效减摇。传统的船舶减摇控制方法,在这些情况下都显的力不从心。这主要体现在如下几个方面:其一,传统的船舶姿态稳定控制处理多变量能力不足,也就是说在需要处理多种运动耦合,同时操控多个独立控制面的情况下难于处理。其二,传统的船舶姿态稳定控制过于依赖船舶的数学模型,控制效果很大程度上取决于模型的精确性,这对船舶的控制模型建模工作提出了很高的要求。而对于高性能船舶,理论研究方法还存在很多欠缺,无论是水动力计算还是实验方法都不尽完善,使得船舶的运动控制模型愈加难以精确,因此导致了传统控制方法的失效。其三,高性能船舶作业情况复杂,操纵要求高。而传统的姿态稳定控制在高海情下都存在着不能有效发挥控制面最大效能,响应速度慢的问题,导致减摇效果变差。另外船舶在波浪中进行操纵运动时,会导致遭遇频率的变化而显著改变船舶的波浪响应频谱特性,也使得依赖波浪响应频谱的控制方法性能下降。为弥补这些缺陷,本论文提出了一种被命名为弱模型干扰补偿控制的方法(WMDCC)。它主要有如下特点:其一,对模型的精确性依赖不强,只需要一个大致的模型指导控制器设计即可。这种基于弱模型的方法,并不会导致控制性能比基于强模型(精确模型)的控制方法下降。这使得WMDCC特别适用于难于建模的高性能船舶。其二,主动对干扰进行前馈补偿,提高了控制器响应速度,弥补了大多数反馈控制器对高频响应失效的问题,特别适用于应对一阶波浪干扰的船舶姿态稳定控制。其三,将自适应控制和预测控制的原理融入其中,使得其同时具有自适应控制的高适应能力和预测控制对执行机构约束的处理能力。这保证了WMDCC能够自动适应船舶航向航速等航态变化时导致的波浪响应变化;同时又能最大化操纵面的控制效能。为验证这种控制方法的有效性,本论文对传统船舶姿态稳定控制的数值仿真方法的缺陷进行了分析,在Bailey和Fossen等的工作基础上,将操纵性运动方程与时域耐波性运动方程结合,提出了一种适合研究带操纵的姿态稳定控制的综合模型。这种综合模型弥补了传统船舶控制仿真方法中忽略辐射势影响的缺陷;同时又利用操纵性方程中操纵性导数来弥补基于势流理论的耐波性方程系数中缺少的粘性项,使得仿真模型能更好的体现船舶在波浪上运动的特性。在上述工作的基础上,本论文随后以某型具有多个控制面的小水线面双体船为例,进行了仿真研究。首先按照综合模型的方法,建立了它的仿真模型。然后分别为其设计了WMDCC,模型预测控制(MPC)和比例—积分—微分(PID)控制器。通过不同海况,不同航态下的控制仿真比较,验证了WMDCC具有良好的适应性和效率。同时还验证了这一方法对模型依赖极低,几乎不依赖水动力参数,有效弥补了传统控制方法的缺陷。归结起来,本论文的主要贡献是:提出了一种新的控制方法,提出了一种操纵性和耐波性统一运动仿真模型,进行了某型小水线面双体船的控制仿真研究。