在贸易全球化的背景下,现代船舶朝着大型化、高速化、适应各类水域航行等特征发展。这使得船舶在港口、海峡、入海口、内河航道及运河等属于近岸、浅水的限制水域的活动密度加大,船只的航行安全问题变得更加突出。国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)已经着手制定限制水域中的船舶操纵性衡准的初步方案,这必然会对船舶操纵性能提出更高的要求。船舶在近岸壁水域航行时,岸壁效应和浅水效应对船体产生岸吸力和艏摇力矩,因而对船舶运动产生显著影响。另一方面,近岸壁航行的船舶航速通常低于设计航速,在这类水域航行时需要保证较好的航向稳定性。因此本研究以超大型油轮和潜艇为研究对象,对近岸壁水域航行船的操纵运动水动力和操纵稳定性特征进行试验研究和数值计算,并讨论近岸壁环境下船舶航迹控制问题.以期对船舶近岸操纵运动的水动力特性和变化机理、操纵稳定性的衡量与保持有深入理解,为指导实际船舶的航行操纵和控制提供理论依据。首先,将岸壁效应水动力以非对称水动力导数进行表达,建立近岸壁船舶操纵性运动模型。然后根据线性控制理论将操纵性运动模型对外界干扰的运动响应分成稳态分量和瞬态分量,从而导出近岸壁操纵运动稳态方程和运动响应瞬态方程,再由瞬态方程组推导出判定直线稳定性和方向稳定性的判定衡准,同时对舵角施加比例微分(Proportional–Derivative,PD)控制,反推得到满足方向稳定性的增益系数区间。为得到运动方程中的各项水动力导数,采用循环水槽平面运动机构(Planar Motion Mechanism,PMM)试验系统对超大型油轮模型KVLCC2开展不同船岸距离及不同水深下的平面运动机构试验。同时在国内外首次开展岸壁效应试验的水动力不确定度分析,提出船岸距离和水深误差造成的系统偏差评估方法,明确了船岸距离和水深误差对试验结果不确定度的影响。试验得到近岸壁操纵性运动模型中的全套水动力导数,在深水中,将岸壁效应以非对称水动力导数的形式从水动力中分离,其余水动力导数不随船岸距离发生明显变化;当水深发生改变时,除舵角导数外的大部分水动力导数在浅水状态下大幅增长。基于水动力导数和稳态方程预报了不同水深下为保证航行安全所需满足的船-岸临界距离。继而通过特征值分析进行方向稳定性判定,引入PD舵控制后发现,当船舶靠近岸壁以及在浅水中时,满足方向稳定性的增益系数大幅上升,因此操舵人员应当关注水深、船岸距离等因素导致舵控制敏感度上升的问题,采取相适应的操舵策略。为实现对近岸壁船舶操纵运动的水动力数值预报,本文采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,发展出用于近岸壁运动模拟的混合动网格技术。采用CFD不确定度分析方法,对KVLCC2和潜艇标模SUBOFF的斜航试验水动力数值结果进行不确定度评估。考察循环水槽与大型水池中的斜航试验水动力值以及流场的差异,讨论用于修正侧壁效应的Tamura速度修正公式对循环水槽斜航试验的适用性,并提出循环水槽中低速船斜航横向力修正公式。通过数值模拟分析循环水槽侧壁的阻塞效应对岸壁效应试验造成的影响。对循环水槽中纯横荡试验和纯艏摇试验进行模拟并将船体水动力数值结果与试验结果进行对比,验证了本文数值方法的有效性。继而以KVLCC2和SUBOFF为对象,对在不同船岸距离和水深条件下的动态PMM试验进行数值模拟。通过分析PMM试验的水动力时历曲线发现,当船岸距离减小时,正方向的横向力受岸吸力的作用幅值增大,艏摇力矩的变化较小。浅水中纯横荡运动水动力的幅值大幅增加,而纯艏摇运动的各个时刻水动力分布的变化很大,导致水动力时历相位大幅移动。由水动力时历得到的KVLCC2近岸壁水动力导数表明,当船岸距离减小时,岸壁效应的增强使横荡附加质量和艏摇附加惯性矩增大,并且岸吸力使横向力粘性导数减小,向外转艏力矩使艏摇力矩粘性导数增大。浅水效应使所有加速度导数的绝对值增大,并且水动力导数的变化幅度可达数倍。对潜艇垂直面运动水动力导数而言,水底的岸壁效应使升沉附加质量增加,纵摇附加惯量减小。基于数值计算得到的水动力导数对KVLCC2和SUBOFF直线稳定性进行判定,发现二者不具备直线稳定性。反推满足方向稳定性的PD控制增益系数区间发现,对于深水中近岸壁航行的KVLCC2,当船岸距离大于2.8倍船宽时可采取中等敏感度控制,当船岸距离进一步减小时应采取高等敏感度控制。对于浅水中近岸壁航行的KVLCC2,采用中等敏感度控制可满足方向稳定性,并且微分增益系数成为决定方向稳定性的关键。对于SUBOFF的垂直面运动稳定性而言,随着潜艇向海底靠近,SUBOFF不再具备自动稳定性。最后,建立以舵角和航速变化作为控制输入的多输入多输出(multiple-input multipleoutput,MIMO)操纵运动响应系统,采用线性二次型调节器(linear quadratic regulator,LQR)对舵角和速度变化进行协同控制以保持船舶近岸壁航线。仿真结果表明:采用MIMO系统和LQR进行船舶航向控制过程中产生的横向距离和方位角的超调减小,达到稳定状态所用的时间更短。最后在近岸壁船舶航迹控制中,采用模型预测控制算法对双输入进行最优控制。针对岸壁效应造成的稳态航迹误差问题,设计了一种无偏模型预测控制算法,有效消除了稳态误差。将几种控制组合的仿真结果进行对比,可见采用MIMO系统和无偏模型预测控制算法的航迹跟踪稳态误差最小,相比于标准模型预测控制,无偏模型预测控制下的航速变化发挥的作用更大。