船舶运动控制一直是研究的热点。船舶运动控制分为航向控制和航迹控制,航向控制是船舶运动控制的基础。自贸易全球化以来,各国之间的贸易主要是船舶运输。而船舶航行状况容易受海上复杂环境影响,其中波浪对船舶航行影响最大,导致船舶航向控制性能降低,在多船相遇时,存在着碰撞的险情,威胁着船舶的航行安全。另外,近年来无人艇的研究受到各国热烈追捧,而无人艇研制面临最大的问题是如何在波浪的影响下仍保持良好的航向控制性能。因此,提升船舶在波浪下的航向控制性能是船舶航向控制研究的重要内容之一。目前,PID控制算法广泛应用在船舶的航向控制,对于船舶航向控制算法已选定,船舶的航向控制性能跟控制算法的参数、波浪引起扰动的系统状态变量以及受控系统的模型有关。因此,分别研究了以上内容对船舶航向控制性能影响。主要研究内容如下:1、针对船舶航向控制系统的控制性能跟航向控制算法的控制参数有直接联系。建立船舶航向控制系统的目标函数,在标准粒子群优化算法(PSO)基础进行改进,并对标准粒子群算法及改进粒子群算法进行了收敛性分析。然后采用该算法对目标函数寻优,在解空间内搜寻一组使得目标函数最优化的粒子,粒子的位置即为最优的控制参数,可使得船舶航向控制性能达到最佳。从仿真结果可以得出,将改进粒子群优化算法得到的控制参数应用于船舶控制系统中,船舶做转向运动时,航向角的超调量很小。2、针对船舶系统状态变量容易受到波浪的扰动影响。将粒子滤波算法应用到船舶系统状态变量的滤波处理,将处理后的船舶系统变量输入到航向控制系统中。船舶航向控制运动分为航向保持运动和航向跟踪运动。在不同海况下分别仿真了船舶的直航运动、转航运动、Z型运动。直航运动检验航向保持性能,转向运动检验航向跟踪性能,Z型运动则全面检验船舶航向控制性能的强弱。仿真结果表明了针对不同海况下的船舶三种运动,船舶的系统状态变量经粒子滤波处理输入到航向控制系统后,船舶的真实航向角在指定航向角附近小幅度波动,也说明该方法在一定程度上提高了控制系统的抗干扰性。3、针对受外界环境的影响及船舶自身参数的改变,船舶运动模型中的参数会出现漂移。基于系统辨识理论,采用遗忘因子最小二乘法和传感器采集的数据递推得到参数值,实时更新模型的参数值。将该方法应用到“海之灵”号航向运动控制中,在水池中分别进行了无人艇直航运动、转向运动实验。实验结果得到,通过辨识方法得到了“海之灵”号在实验时运动模型中参数值以及变化情况,且“海之灵”号具有良好的航向控制性能。