船舶在航行过程中,受到风浪等海洋环境因素的干扰,会发生横摇、横荡、艏摇、纵荡等运动。剧烈的摇荡运动会严重影响船舶航行时的稳定性和安全性;船舶舵鳍联合控制系统就是在确保航向控制精度的同时能够通过控制减摇鳍来实现有效地减摇,进而提高船舶在海上航行时的稳定性、安全性和舒适性等。本文重点研究四自由度的船舶运动数学模型的建立,以及船舶舵鳍联合系统的无模型控制策略设计。首先,根据牛顿动力学的动量定理与动量矩定理,建立了四自由度的船舶运动非线性数学模型并对其进行了回旋试验和Z形操纵试验仿真,与相关文献给出的数据及船舶操纵性标准进行对比分析,证明了本文所建船模的正确性和可靠性。然后,根据Conolly船舶横摇线性数学模型,设计了无模型自适应(MFAC)减摇控制器,并通过仿真研究,表明MFAC在低频海浪扰动下对比PID控制器,具备了更强的鲁棒性;在舵鳍联合系统中,针对非自衡的航向系统设计了经过镇定器内回路反馈的改进MFAC航向控制器和非线性横摇运动系统的MFAC减摇控制器,在保证船舶航向控制精度的同时能够有效的减摇,并进行了仿真研究。MFAC策略与PID控制策略相比,具备可调参数少,参数调节简单,实现更方便等优点,而且根据仿真结果分析,MFAC在航向控制中表现出更强的自适应能力;在高海况下,MFAC在减摇控制中表现出更强的鲁棒性和适应性。最后,对船舶横摇线性数学模型进行自抗扰(ADRC)减摇控制器设计与仿真研究,结果表明,该控制器下的减摇效果优于PID。在此基础上,针对船舶舵鳍联合系统时,设计的基于ADRC策略的控制器不仅能够精确控制航向而且能够对船舶进行有效减摇。其中,为简化ADRC的总体结构,减少ADRC可调节参数,设计了 LADRC航向控制器,通过仿真试验研究表明,LADRC具有优于PID的航向控制品质;同时设计的ADRC减摇控制器,通过仿真研究发现,无论何种海况下,ADRC在非线性横摇运动中表现出的减摇效果都强于PID控制,鲁棒性更强。