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船舶在波浪中航行受到波浪的作用会产生横摇。横摇会降低乘客的舒适性，干扰船上人员的工作，影响船上设备的正常使用，导致船上运载的货物遭受损失，并且限制船舶的使用范围，严重的横摇甚至可以导致事故的发生，威胁航行安全。减小船舶的横摇对于确保船舶的使用性能及安全，拓展船舶的使用范围具有重要的现实意义。本文针对舵鳍联合减摇技术进行了研究，旨在提高船舶的横摇减摇能力。
为了减小横摇，对横摇稳定性要求较高的船舶通常配备有横摇减摇装置。减摇鳍安装在船体的两侧，通过鳍上受到的水动力产生横摇减摇力矩减小横摇，具有占用空间小、减摇效果好、工作可靠的优点，是应用最为广泛的主动式横摇减摇装置。船舵的主要作用是控制船舶的航向，由于舵上受到的水动力在产生艏摇力矩的同时也产生横摇力矩，操舵不仅对船舶的艏摇产生影响，也会对船舶的横摇产生显著的影响。船舶在舵的作用下的艏摇与横摇响应的响应速率不同，在频率上可以分离，舵减摇利用这一特点，在保持舵的航向控制能力的同时，利用舵对横摇的影响减小横摇。
舵对横摇的控制作用与减摇鳍对横摇的控制作用之间存在相互干涉。在一些情况下自动驾驶仪操舵产生的横摇力矩与波浪对船舶的横摇力矩相互耦合，可能使船舶的横摇加剧，削弱减摇鳍的减摇作用。而如果能够利用舵对横摇的控制作用，并使舵、鳍相互配合进行联合减摇，则可以增强船舶的横摇减摇能力。
本文的目的是研究舵鳍联合减摇的方法。论文对国内外舵减摇和舵鳍联合减摇的相关研究进行了整理和分析，建立了研究舵鳍联合减摇原理和控制方法的数学模型，分析了舵鳍联合减摇需要解决的控制问题，在此基础上提出了新的控制方法实现舵鳍联合减摇和改善控制效果，并针对特定的船型，通过自航模实验验证和分析了舵鳍联合减摇对于该船的有效性。本文的具体研究内容如下：
舵鳍联合减摇利用减摇鳍和舵协同动作增强船舶的横摇减摇能力，因此舵减摇是实现舵鳍联合减摇的基础。本文根据舵减摇的控制要求，设计了具有扰动观测补偿功能的模型预测控制器对舵减摇进行控制。模型预测控制可以处理多输入-多输出控制问题，实现多目标优化，并且可以在系统状态和输入受限的条件下对控制作用进行优化，适合于舵减摇的控制。扰动观测和前馈补偿方法建立在已设计好的控制器的基础上，根据被控对象的标称模型利用扰动观测器估计由外界扰动和模型不确定性构成的总扰动，并通过在控制指令中包含前馈补偿部分对总扰动进行补偿，从而改善已有控制器的控制性能，提高控制器对扰动的抑制作用，并且能够在一定程度上增强控制器对被控对象模型变化的鲁棒性。
在实现舵减摇的基础上，根据舵鳍联合减摇的特点和控制要求，设计了具有扰动补偿功能的分布式模型预测控制器。由于舵、鳍的控制要求和动态特性不同，将舵、鳍在同一个模型预测控制器中进行控制无法充分发挥舵、鳍的性能。分布式模型预测控制可以为相对独立的子系统设计独立的控制器，并通过信息交换对其控制作用进行协调。本文为舵、鳍设计了具有不同预测时间和加权系数的独立模型预测控制器，并将舵控制器的控制指令传输至鳍控制器，对舵、鳍的动作进行协调。采用基于高阶滑模微分器的扩张状态观测器对由船舶的模型不确定性和外界扰动构成的横摇总扰动进行估计，并在计算舵、鳍的控制指令的过程中考虑横摇总扰动的影响，从而实现扰动前馈补偿控制。
本文研究了执行装置饱和对舵鳍联合减摇的影响，并采用模型恢复抗饱和补偿方法为舵鳍联合减摇设计了抗饱和补偿器。执行装置饱和使控制作用受到限制，并且在被控对象的模型中引入饱和非线性，这将导致控制器的误动作，使控制效果受到严重的影响。模型恢复抗饱和补偿器可以从控制器的角度对饱和发生时被控对象的模型进行恢复，使饱和发生情况下被控系统的模型接近于无饱和情况下的标称模型，从而减少控制器的误动作，减小饱和对控制作用的影响，并尽可能的使控制效果接近于无饱和情况。
为了减小横摇，对横摇稳定性要求较高的船舶通常配备有横摇减摇装置。减摇鳍安装在船体的两侧，通过鳍上受到的水动力产生横摇减摇力矩减小横摇，具有占用空间小、减摇效果好、工作可靠的优点，是应用最为广泛的主动式横摇减摇装置。船舵的主要作用是控制船舶的航向，由于舵上受到的水动力在产生艏摇力矩的同时也产生横摇力矩，操舵不仅对船舶的艏摇产生影响，也会对船舶的横摇产生显著的影响。船舶在舵的作用下的艏摇与横摇响应的响应速率不同，在频率上可以分离，舵减摇利用这一特点，在保持舵的航向控制能力的同时，利用舵对横摇的影响减小横摇。
舵对横摇的控制作用与减摇鳍对横摇的控制作用之间存在相互干涉。在一些情况下自动驾驶仪操舵产生的横摇力矩与波浪对船舶的横摇力矩相互耦合，可能使船舶的横摇加剧，削弱减摇鳍的减摇作用。而如果能够利用舵对横摇的控制作用，并使舵、鳍相互配合进行联合减摇，则可以增强船舶的横摇减摇能力。
本文的目的是研究舵鳍联合减摇的方法。论文对国内外舵减摇和舵鳍联合减摇的相关研究进行了整理和分析，建立了研究舵鳍联合减摇原理和控制方法的数学模型，分析了舵鳍联合减摇需要解决的控制问题，在此基础上提出了新的控制方法实现舵鳍联合减摇和改善控制效果，并针对特定的船型，通过自航模实验验证和分析了舵鳍联合减摇对于该船的有效性。本文的具体研究内容如下：
舵鳍联合减摇利用减摇鳍和舵协同动作增强船舶的横摇减摇能力，因此舵减摇是实现舵鳍联合减摇的基础。本文根据舵减摇的控制要求，设计了具有扰动观测补偿功能的模型预测控制器对舵减摇进行控制。模型预测控制可以处理多输入-多输出控制问题，实现多目标优化，并且可以在系统状态和输入受限的条件下对控制作用进行优化，适合于舵减摇的控制。扰动观测和前馈补偿方法建立在已设计好的控制器的基础上，根据被控对象的标称模型利用扰动观测器估计由外界扰动和模型不确定性构成的总扰动，并通过在控制指令中包含前馈补偿部分对总扰动进行补偿，从而改善已有控制器的控制性能，提高控制器对扰动的抑制作用，并且能够在一定程度上增强控制器对被控对象模型变化的鲁棒性。
在实现舵减摇的基础上，根据舵鳍联合减摇的特点和控制要求，设计了具有扰动补偿功能的分布式模型预测控制器。由于舵、鳍的控制要求和动态特性不同，将舵、鳍在同一个模型预测控制器中进行控制无法充分发挥舵、鳍的性能。分布式模型预测控制可以为相对独立的子系统设计独立的控制器，并通过信息交换对其控制作用进行协调。本文为舵、鳍设计了具有不同预测时间和加权系数的独立模型预测控制器，并将舵控制器的控制指令传输至鳍控制器，对舵、鳍的动作进行协调。采用基于高阶滑模微分器的扩张状态观测器对由船舶的模型不确定性和外界扰动构成的横摇总扰动进行估计，并在计算舵、鳍的控制指令的过程中考虑横摇总扰动的影响，从而实现扰动前馈补偿控制。
本文研究了执行装置饱和对舵鳍联合减摇的影响，并采用模型恢复抗饱和补偿方法为舵鳍联合减摇设计了抗饱和补偿器。执行装置饱和使控制作用受到限制，并且在被控对象的模型中引入饱和非线性，这将导致控制器的误动作，使控制效果受到严重的影响。模型恢复抗饱和补偿器可以从控制器的角度对饱和发生时被控对象的模型进行恢复，使饱和发生情况下被控系统的模型接近于无饱和情况下的标称模型，从而减少控制器的误动作，减小饱和对控制作用的影响，并尽可能的使控制效果接近于无饱和情况。