在海洋油气勘探与开发中,水下生产系统是深海油气资源开发的主流模式。水下控制模块（SCM）作为水下生产系统的大脑,负责控制和监测水下生产系统,是保证水下油气资源安全、稳定、可靠开采的重要装备之一。目前,SCM的核心技术长期被欧美发达国家垄断,国内对于SCM的研究还处于初期阶段,水下生产系统的建设仍然依赖于国外产品。我国海洋油气资源开发由浅水逐步走向深水,掌握水下生产系统控制模块的关键技术,打破国外技术垄断,实现SCM的国产化,对于实现我国深海油气资源自主开采具有重要的理论意义和实际应用价值。本文通过对水下采油树的功能需求开展研究,提出了一种复合电液式SCM的总体方案。对SCM对接定位锁紧机构的构型进行研究,提出了一种多回路同步对接的SCM定位锁紧机构,该机构将对接定位机构集成到锁紧机构中,定位精度更高,对中性更好。对SCM液压系统的冗余设计方法和阀块结构开展研究,提出了一种具备冗余功能的SCM液压系统和集成式阀板设计方案,在SCM有限空间内提高了液压系统的集成度和可靠性。对SCM电控系统的冗余设计方法开展研究,提出了一种并联交叉冗余控制方法,提高了元器件的性能利用率和系统的可靠性。引入了一种2乘2取2冗余系统到SCM电控系统中,该系统具备故障检测和比较机制,可靠性和安全性较高。针对提出的SCM对接定位机构的对接偏差开展研究,建立了机构的最大允许对接偏差、定位精度和最大对接偏差的数学模型,并采用序列二次规划算法,对模型进行仿真,分析了各个参数对SCM对接定位机构中两种定位方式定位性能的影响,并得出了SCM的最佳定位方式以及该定位方式的最优参数;求解出了定位轴和定位套筒、定位槽和定位键的允许配合间隙上限的数值解,解决了多路液压接头自动同步精确对接的精度控制问题;计算出了SCM对接定位机构的最大允许对中偏差和转角偏差,为SCM导向机构的定位精度设计提供理论依据。以一面两销式定位机构为比较对象,分析并比较了该机构与提出的SCM对接定位机构的定位精度。针对SCM液压系统的设计方案,对SCM液压系统的可靠性和安全性开展研究。基于液压元器件的失效模式,建立了系统安全性失效和危险性失效的故障树模型,定性的研究了每种失效模式对系统可靠性和安全性的影响规律。针对SCM液压系统中的元器件数量大和失效模式过多引起的贝叶斯网络组合爆炸问题,对贝叶斯网络模型的降维方法开展研究,提出了节点合并和状态合并两种降低贝叶斯网络模型维度的方法,并应用该方法建立了系统可靠性和安全性的贝叶斯网络模型,得出了系统的可靠度和安全度,以及各种失效模式对系统可靠性和安全性的影响规律。针对SCM并联交叉冗余控制系统逻辑关系复杂、难以直接建立可靠性模型的问题,对系统的分解和降维方法开展研究。基于可靠性框图分析方法,结合系统的逻辑关系,对系统进行分解,降低系统维度,建立了并联交叉冗余控制系统的可靠性模型,并通过马尔可夫方法进行求解,得出了系统的可靠度和平均无故障时间（MTTF）。针对SCM的2乘2取2冗余系统,结合了马尔可夫和多重贝塔因子模型,建立了多参数影响下系统的可靠性和安全性模型,得出了系统的可靠度和安全度;针对可靠性和安全性模型中的时域灵敏度分析方法,扩展了Morris筛选法到时域,研究了在任意时间区间和时间点各参数对系统影响的灵敏度计算方法,得出了各参数对系统的影响规律及灵敏度。研制了一台SCM实验样机和导向机构,并搭建了一套SCM测试系统,对SCM对接定位锁紧机构、液压系统和电控系统各项功能的测试方法开展研究,并进行相关测试,验证了SCM的对接定位和锁紧功能,液压系统的液压驱动功能、冗余功能和应急安全关断功能,以及并联交叉冗余控制系统的并联和交叉冗余功能。针对SCM对接定位机构的定位精度高,无法直接测量的问题,研制了一台对接定位机构实验样机,对SCM对接定位机构数学模型的测试方法开展研究,并进行相关测试,验证了对接定位机构数学模型的正确性。