船舶操纵是一件枯燥乏味的事情,尤其在长距离航行和恶劣天气状况下。而近年来,燃料价格的提高,导致航行成本的提高,用户提出了对船舶航行节能的需求。与此同时,航道日趋繁忙,需要更高精度的控制,这不仅是在以巡航速度航行的航向保持阶段,而且在低速、变速和航向改变阶段,都需要更新的控制方法来代替目前仍然需要手动操作的情况。而对于操作人员,他们不希望调整复杂的控制器的参数,因此需要控制器能够自动的调整或者能够自适应控制。在实际工作中,船舶的航向控制包括航向保持和转向两个模式,而对于不同的模式有不同的控制要求。例如:在航向保持模式下,要求船舶能够尽可能的保持在设定的航向上,同时要兼顾到航行的经济性。而船舶转向则要求能够控制船舶平稳,快速,无超调的从当前航向调整到预定航向上。同时船舶在海上航行会经历两个方面的扰动,一个是环境的扰动,例如:风、浪、流等。一个是来自船舶装载、船速、水深等变化引起的船舶动力学特征参数的变化。本文首先给出船舶航向控制设计中用到的数学模型。从经典PID控制器开始,设计船舶转向的PID控制器。介绍了基于闭环增益成形算法的PID控制器。针对船舶转向的特点,以及对普通控制策略的仿真分析,在综合考虑之后,提出了航向成形算法,以及相应的控制系统设计,来改善船舶的转向控制效果,同时利用单神经元PID的学习能力,对最优转向航向进行学习,得到最优控制器。在建立了航向保持的性能指标之后,设计了线性二次最优控制器。为了适应变化的情况,提出了利用神经元PID与航向保持性能指标相结合的改进型神经元自适应PID控制器。最后针对转向和航向保持两种不同的控制模式,提出利用设定航向和航向误差的变化,来切换不同的控制器的集成系统设计。为了模拟波浪对船舶航向的干扰,本文还设计了波浪仿真算法,而针对船舶控制实时性要求高的特点,在研究各种滤波器滤波效果的基础之上,设计了指数移动平滑滤波器。最后通过以5446TEU集装箱船为仿真对象仿真研究,证明所设计的转向控制器能够平稳、快速、无超调的控制船舶进行转向操作。而所设计的航向保持控制器也能够控制船舶航向保持在一个较小的范围内变化,而且在整个过程中,船舶的操舵合理。