船舶的航向控制是船舶运动控制中最基本的研究内容,是船舶航迹跟踪控制研究的基础。大型船舶运动具有大惯性的特点,对船舵响应缓慢;操作伺服子系统存在时滞性和继电器特性等非线性因素;船速和船舶的装载情况会影响船舶运动模型的参数甚至结构产生摄动;船舶航行环境复杂不一,海洋环境尤为复杂多变。这些因素使得船舶航向控制成为一个复杂的非线性问题。目前在船舶仿真研究及工程应用中,大多采用MMG(Maneuvering Modeling Group)模型作为船舶模型,而建立MMG模型需要设计大量复杂的实验以获得众多的模型参数,对于非船舶和与海洋工程专业的研究者来说,建立船舶的MMG模型非常困难。所以论文以日本东京海洋大学的船舶“汐路丸”为被控对象,采用统计建模的方法间接构建了具有仿射结构的 ARX(AutoRegressive model with eXogenous variable)模型。采用最小二乘法和赤池信息量准则辨识模型参数和选择模型阶次,以模型的长期预测性能为指标检测、比较模型。相较于直接建模法,论文提出的间接建模法可以保证所得船舶ARX模型为稳定或临界稳定模型。论文将“汐路丸”的最优ARX模型和MMG模型的长期预测性能进行比较,结果表明该文采用的间接ARX模型建模策略对船舶首摇角的预测能力与MMG模型的预测能力相当。在航向保持控制研究中,设计了 PID控制策略、多种模糊控制策略及基于ARX模型的LQR航向控制策略。在Matlab仿真实验中,上述控制策略均能实现船舶航向控制。在此基础上,该文以课题组小型水面无人船实验平台“王亮号”作为被控对象建立ARX模型,基于此模型,进行了多种航向控制策略的仿真实验和实船实验,仿真及实船实验结果表明这些控制策略均能有效实现船舶航向控制。通过实船实验的结果分析,发现风对船舶航向的影响很大,必须在船舶操纵过程中考虑风对船舶航向的影响,所以建立了以舵角和风力为输入、首摇角偏差为输出的ARX模型,检测其长期预测性能,与不考虑风力干扰的ARX模型进行比较,对在建模中如何考虑风力影响做了初步的研究工作。