随着航运业的迅猛发展,对船舶自动舵的要求越来越高,不仅要求自动舵具有良好的航向保持、航迹保持等性能,而且需要自动舵具有减摇、自动靠离泊、自动避碰等功能。要求自动舵在保证船舶具有足够的航向、航迹控制精度的基础上,同时提高船舶的适航性、智能化和安全性等。本文以当前船舶使用的PID自动舵为基础,对船舶航向航迹控制及船舶转向时的横倾问题进行研究,主要研究工作包括:为研究集装箱船、滚装船等受风面积大的船舶运动控制问题,建立四自由度的船舶运动数学模型,并分析船舶运动控制中的船舶欠驱动性、环境干扰的随机性、模型的不确定性和复杂性、驱动装置自身的约束性等。利用MATLAB仿真环境建立集装箱船“MV KOTA SEGAR”的船舶运动仿真模型,并对所建立的四自由度船舶模型进行Z形操舵试验和旋回试验以保证模型的准确性和可信度,为控制算法和控制策略的验证提供可靠仿真平台。从分析PID控制的滑膜变结构特性入手,简要介绍变结构控制理论,将PID控制律的参数转换为物理意义更加明显的三个参数,以方便后续的参数调整。并针对PID控制的积分超调问题引入微分补偿项,设计船舶航向PID微分补偿控制器;为减小船舶转向时的横倾幅度以提高船舶的安全性和舒适性,分析介绍船舶转向时的横倾运动及其影响因素,并根据船舶转向时的横倾运动特点设计模糊逻辑规则对PID微分补偿控制器参数进行调节以达到抑制船舶转向时的横倾幅度的目的。针对间接式航迹控制精度较低,存在因风、流、浪等干扰引起的漂移偏差和直接式航迹控制因航迹偏差过大可能反向跟踪期望航迹的情况,提出以计划航迹为被控对象,利用双曲正切函数特性对航迹偏差进行非线性修饰的模糊横倾抑制PID微分补偿航迹控制策略。利用MATLAB仿真环境,针对所建立的四自由度船舶模型进行航向航迹控制策略仿真验证,仿真结果验证了所设计控制策略的可行性和优越性。