在对船舶的研究中,航向控制、航速控制与减摇控制都是船舶控制领域中非常重要的部分。船舶航行在海洋中时,必须要求它能够按照预设的航向与航速航行,船舶的航向控制与航速控制关系到航行时的安全性与经济性。除此之外,海上发生的事故与灾难很多都与船舶的横摇有关,这不仅造成了严重的人员伤亡,同时也会造成巨大的经济损失。本文研究的船舶中安装了螺旋桨、舵和减摇鳍三种控制装置。螺旋桨是船舶运动的动力,主要为船舶提供一个向前推进的力;舵主要是通过改变舵角的大小使船舶在直航时始终保持预设的航向;减摇鳍是目前效果最好的减摇装置,它通过调节鳍角产生不同大小的升力从而减小横摇。船舶在海上航行的过程中,对船舶的操纵其实也就是对这三种控制装置的操纵,所以对这三种装置控制系统的设计是十分重要的。除此之外,由于能源的日渐减少,船舶航行中消耗的能量也需要考虑。本文研究的就是桨、舵、鳍三种控制装置的联合控制,使船舶保持优良的航行性能并尽量减小控制装置的能量消耗。本文首先使用MMG方法建立了船舶纵荡-横荡-横摇-艏摇四自由度运动模型,求出了未安装控制装置时裸船体受到的水动力和力矩,又分别求出了螺旋桨、舵和减摇鳍三种控制装置对船体产生的力和力矩。除此之外,由于船舶航行时会受到环境的干扰,又求出了海浪扰动对船舶四个自由度产生的力和力矩,并通过在不同海情时对其进行仿真,分析了海浪对船舶航速、航向和横摇的影响。为了克服海浪对船舶航行过程中航速、航行及横摇的影响,本文设计了两种不同的控制器对螺旋桨、舵和减摇鳍进行控制,这两种控制器分别为PID控制器及LQR最优控制器。其中PID控制器是对桨、舵、鳍分别进行控制,使它们分别控制船舶的航速、航向与横摇;LQR最优控制器使桨、舵、鳍共同控制船舶的航速、航向与横摇,并在三种不同浪向角的情况下进行仿真。仿真结果表明,与PID控制相比,LQR联合控制可以在保证船舶航行时性能的同时,大大的减小能量消耗。由于在使用LQR控制器时是凭借经验对加权矩阵Q和R进行选择,这会耗费大量的时间与精力,并且在不同的海情时,不能及时调整控制器的参数,这使控制器并不能保证在不同的海情下都使性能指标达到最优。所以本文又使用了遗传算法对LQR的加权矩阵进行优化,仿真结果显示,使用遗传算法优化后,系统的控制性能得到改善,同时基本可以保持同等的能量消耗。