船舶在海上航行时不可避免地会受到风、浪等海洋扰动,产生偏航、横摇等运动,会直接影响船舶的安全性、适航性以及船上设备的正常工作。其中,横摇运动影响最为剧烈。同时,船舶大幅度横摇会使航行阻力增加,消耗船舶主机推进功率而引起航速下降,而航速损失会降低运输效率,增加燃油消耗,进而影响船舶航行的经济性。船舶舵鳍联合减摇方式在舵减摇与鳍减摇的基础上发展而来,综合了两种减摇方式在减摇方面的特点,能够在保证船舶航向精度的同时,有效减小船舶横摇。本文重点研究船舶舵鳍联合系统非线性数学模型,以及将航速作为状态量,利用带约束的模型预测控制理论进行基于航速损失约束的船舶横摇/航向控制系统设计。首先,针对船舶运动系统具有非线性、强耦合、多变量等特性,并考虑海洋环境对船舶运动影响,基于分离型(Ship Manoeuvring Mathematical Model Group,MMG)建模思想,建立了一个能够比较全面反映船舶运动本质特性的4自由度(纵荡、横荡、横摇、艏摇)运动非线性数学模型。然后,将建立的非线性船舶运动舵鳍联合系统数学模型进行输入输出反馈线性化,并在此基础上进行控制器设计:(1)针对船舶横摇/航向综合控制系统复杂多变量的特点,基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)是一种具有“滚动式边走边优化”特点的、在复杂工业环境中实用性强的控制策略,设计了基于反馈线性化的船舶舵鳍联合减摇MPC控制系统。(2)针对一般无约束MPC控制下,船舶在达到设定航向时,操舵导致明显的航速降低问题,基于带约束的MPC控制具有能够在线处理输入约束和状态约束的突出特点,设计带有输入(舵角、鳍角)以及状态(航速)约束的船舶横摇/航向综合控制器。(3)针对外部风浪干扰未知问题,在上述基于航速损失约束的船舶横摇/航向控制效果下,引入非线性干扰观测器,估计外部风浪干扰并加以补偿,提高控制性能。最后,针对上述船舶横摇/航向模型预测控制系统,在不同海况下进行了船舶横摇/航向联合仿真试验,验证了所设计控制器的有效性,使船舶在无约束MPC控制下,既能实现精确的航向控制又能得到良好的减摇效果;在带有航速损失约束的MPC控制下,实现精确的航向控制以及良好的减摇效果的同时,能够有效降低航速损失,并在引入非线性干扰观测器估计并补偿扰动后,达到控制效果优化的目的。