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船舶回转运动是船舶航行中的一种特殊状态,回转性能与船舶避让、掉头等操作密切相关。船舶回转过程中具有一定的横倾,加之外界干扰引起的船舶横摇,对船舶安全行驶造成一定威胁。本文研究船舶在静水和海浪干扰下的回转特性和横摇运动,针对横摇运动设计粒子群优化PID和基于干扰观测器的滑模控制器,并进行仿真验证。研究主要包括以下几个方面:首先,基于MMG方法建立船舶运动四自由度非线性模型,其中包括舵、鳍和桨控制装置作用在船舶上的力和力矩,还有船舶所受水动力和海浪对船舶的作用力。基于该模型,使用MATLAB软件建立船舶运动仿真系统。然后,基于MATLAB仿真系统仿真静水、一阶波浪力和二阶波浪力干扰下的船舶回转及横摇运动,分析初始航速、舵角、舵角速度、海浪波高、海浪初始遭遇角等因素对船舶回转轨迹和船舶横摇角的影响。其次,针对船舶运动模型,以误差绝对值积分(IAE)为性能指标,以PID控制器的三个参数为种群位置,建立粒子群优化PID横摇控制器,并仿真减摇鳍作用下的船舶运动控制系统,对不同航速、海浪波高和舵角的海况进行仿真,验证粒子群优化PID控制的控制性能。再次,对船舶非线性运动模型,建立干扰观测器对外界干扰进行观测以便对其加以补偿,并设计滑模反演控制器操控减摇鳍运动抵消干扰;仿真不同航速、海浪波高和舵角的海况下的船舶回转及横摇运动,验证基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制的减摇效果。最后对比减摇鳍的粒子群优化PID控制和基于干扰观测器的滑模控制,相同条件下滑模控制在横摇控制和鳍角饱和率两方面均要好于粒子群优化PID控制。尽管粒子群优化PID能够取得良好的减摇效果,但滑模控制通过设计干扰观测器和变结构控制器,能够对干扰和不确定项进行有效补偿,提高减摇鳍控制效率,取得更为良好的减摇效果。