1.1 研究背景

（1）海洋资源开发背景

随着现代社会的不断发展，以化石能源为主的陆地资源被大量的开发和消耗，引起了越来越紧迫的资源短缺、能源危机等问题。海洋占据地球表面积的71%，其中蕴含着丰富的油气资源、矿产资源、生物资源等。据估计，世界石油可采储量为3000亿吨，其中海底石油1350亿吨；世界天然气储量为255～280亿立方米，海洋储量占140亿立方米。海底矿产资源同样储量巨大、分布广阔，据估计总储量达6000亿亿吨。世界水产品约85%产于海洋，可作食用、药用及丰富的工业用途。海洋资源的开发离不开海上作业船舶、海洋工程装备的支撑，特别是保证船舶或平台保持在海平面要求位置的动力定位技术。截至2013年，全世界有超过3500艘动力定位船舶或平台，其中大多数都在从事海洋资源特别是油气资源的勘探与开发任务，且绝大多数都由发达国家研发建造。在此重要的海洋资源开发国际机遇期，我国同样应该大力发展动力定位技术，更好地开发海洋资源、保障海洋权益。

（2）动力定位技术研究现状

动力定位系统与传统的锚泊方式相比，能适应离岸更远、海况更恶劣的深水海域，定位精度更高，操作更简便，避免了抛锚定位费时费力、机动性差的问题，因此在现代海上作业船舶和海洋工程装备上得到了广泛应用。

二十世纪六十年代，第一代动力定位船舶产生。1961年下水的Eureka号钻井船被认为是第一艘动力定位船舶。第一代动力定位船舶采用经典控制理论，由低通滤波器配合PID控制器。该方法在当时取得成功，但也存在相位滞后、PID参数难以选择等问题。而且，PID控制属于事后控制，控制精度和响应时间均有一定不足。

PID控制数学模型简单，参数物理意义明确，设计方便，适应性强。截止今日，PID控制在动力定位控制乃至整个工业界都有广泛应用。关于PID控制的研究也一直未曾间断，近年来国内外开展了加速度反馈控制、模糊PID控制、智能PID控制等研究。

二十世纪七十年代，第二代动力定位船舶产生。Balchen 等提出线性二次高斯型LQG 控制（LinearQuadratic Guass），即将Kalman 滤波和最优控制相结合。LQG控制需要模型中各参数已知，Fossen等利用扩展Kalman滤波器估计模型中的不确定参数，进而设计控制力。Kalman 滤波及扩展Kalman对上一次取样的信号进行修正，保留低频运动信号，剔除噪声和高频运动信号。因为信号的取样和修正在同一时间步内完成，解决了低通滤波导致的相位滞后问题。LQG控制精度和响应时间得到改善，安全性、鲁棒性及节能效果也有提高。但是，LQG控制也存在模型不够精确、计算量较大的问题。

进入九十年代以后，应用智能控制方法的第三代动力定位船舶开始形成。截止到现在，鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制、非线性模型预测控制等智能控制方法得到很好的应用，使动力定位智能化得到良好的发展，但大多数系统离实际工程应用仍有距离。

国内的动力定位研究起步较晚，国内的上海交通大学、武汉理工大学、哈尔滨工程大学等高校，中船重工702所、708所等科研院所以及上海振华重工等企业正在进行相关研究，已经开发出了一些动力定位系统产品。这些国内自主研发的动力定位系统，在定位精度和可靠性上与发达国家仍有差距。目前，国内研究仍多处在船舶运动模型、控制模型和控制算法、推力分配策略等理论研究阶段，在关键技术、关键单元设计上还有不足。近年来，我国船舶与海洋工程技术得到高度重视和快速发展，动力定位技术也正逐步缩小与国外先进技术的差距。

（3）国家政策背景