大型船舶作为十分重要的远洋运载、作业平台,确保其在远洋复杂海况下的航行安全性极为重要。因此,对安全航行姿态(横摇/艏向)实施主动控制具有显著的现实意义,而重心较高的大型集装箱船对远洋安全航行姿态控制系统的自适应性、鲁棒性要求更为苛刻。本文瞄准国际先进控制技术发展前沿,针对船舶大幅横摇、艏向和横摇-艏向的非线性姿态控制问题研究建立运动姿态控制方案和策略,进一步提升大型船舶远洋航行能力和安全性。首先,论文阐述了相关船舶运动姿态控制发展概况、控制理论研究进展以及论文总体研究思路;根据控制力、水动力和环境干扰力等作用力叠加的方法,建立船舶横向四自由度非线性耦合运动模型;同时,考虑船体边界层影响估算鳍面积并开展带鳍阻力试验不确定度评估验证;并根据一阶波浪干扰力/力矩的切片计算和功率谱加权平均等手段,给出了不规则波浪干扰力/力矩仿真结果;此外,通过合理化假设,建立恒定航速下的仿射非线性船舶横向运动控制模型并进行自由运动稳定性分析。其次,针对远洋安全航行大幅非线性横摇运动中的减摇控制问题,提出基于非线性干扰观测的指令滤波反演横摇控制和预设性能积分滑模改进控制方法等策略。引入非线性干扰观测器以观测波浪干扰,在带非线性干扰观测器(Nonlinear Disturbance Observer,NDO)的非线性横摇模型上设计反演控制器,并串联限幅指令滤波,避免了传统反演控制固有的“微分计算膨胀”问题,设计出基于非线性干扰观测器的指令滤波反演控制器(Nonlinear Disturbance Observer based Command-Filtered Backstepping Control,NDOCBC);另外,在NDOCBC方法的基础上,引入预设性能控制(Prescribed Performance Control,PPC),将虚拟控制量限制在预设性能函数的“预设”范围内,结合滑模控制和自适应技术,提出预设性能积分滑模改进控制方案,进一步消除估计误差和提高鲁棒性。仿真表明,该控制方案避免了突变大风浪下因鳍角饱和限幅导致的减摇效果变差的问题,使船舶横摇控制性能平滑,兼顾了控制精度和控制可靠性。接着,针对船舶远洋安全航行中航向(艏向)控制问题,提出一种基于径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络的离散指令滤波反演控制方法。在多自由度耦合运动方程中关于艏向控制部分的复杂非线性项用非线性函数统一表示,使用RBF神经网络对该非线性函数进行整体逼近;同时通过状态重构途径设计状态观测器,对RBF权重实现自适应估计;最后基于RBF模型参数的估计信息进行离散指令滤波反演控制器的设计,同时设计补偿器对滤波误差进行准确及时的补偿,避免了因离散指令滤波误差导致的控制精度受损的问题。论文提出的基于RBF神经网络和状态观测估计的离散指令滤波反演控制方法,满足实时性要求,可显著提高艏向控制系统的精度、鲁棒性和自适应性,具有较强的实用价值。然后,针对远洋安全航行船舶舵鳍联合横摇/艏向控制问题,提出一种基于扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)非线性自适应比例-积分-微分(Adaptive Proportional-Integral-Derivative,APID)控制策略。对舵鳍联合横摇/艏向控制系统动力学进行分析,将控制模型由横荡/横摇/艏摇(艏向)三自由度转变为横摇/艏摇(艏向)二自由度方程;针对简化的模型进行反馈线性化可解证明,并利用反馈线性化方法得到伪线性化系统并进行解耦;在存在的外部波浪干扰和模型参数不确定的情况下,设计基于ESO的自适应PID伪控制器。该控制器中,非线性ESO实现解耦线性化系统状态和复合干扰的估计,用以降低自适应PID伪控制器中切换函数的增益设定,从而有效抑制控制输入抖振。所提出的方法可实现船舶横摇-艏向舵鳍联合系统非线性解耦控制,并保证系统的鲁棒性和抗干扰能力。最后,针对大型船舶远洋安全航行综合控制性能优化和控制输入可靠性需求,提出一种受输入约束的H_∞型鲁棒模型预测控制技术(H_∞-type Input Constrainted Model Predictive Control,H_∞-ICMPC)。考虑了实际减摇鳍系统的延迟约束,提出基于自回归(Auto Regression,AR)模型的渐消记忆递推最小二乘法(Fading Memory Recursive Least Squares,FMRLS)预测横摇角,用于控制器的设计;结合模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)多变量和约束处理能力,引入H_∞型成本函数,实现带干扰的实际系统的性能优化,提高闭环稳定性和抗干扰能力;设计舵鳍联合横摇-艏向状态反馈控制器,并化作不等式处理,同时显式地处理执行器舵、鳍约束,使得控制器的动作趋于平滑,进而减少了执行器能耗并增强其动作可靠性。仿真表明了所提出方法的先进性和有效性,另外,对舵减摇(Rudder-Roll Damping,RRD)控制系统和参数摄动不确定系统,也能取得较好的控制效果,具有较强的鲁棒性。