1.1目的及意义

随着“建设海洋强国”的国家海洋发展战略的提出，海洋的开发与探索逐渐受到重视，船舶与海洋工程科学技术也得到了不断的发展。其中动力定位技术以其定位准确、机动性高、不受水深限制等独特的优点，为深海域中的船舶定位提供了发展的方向，也被广泛应用于海洋石油开采、铺设管道、挖泥等作业中，成为关键的且极具研究价值的船舶与海洋工程支持技术。

在海洋环境下作业的船舶受到风浪流的干扰，其位置与艏向偏离预设值，将会增加功率的消耗或者作业难度。而船舶动力定位技术时刻监测船舶实际位置，利用推进器产生特定的推力来弥补外界环境载荷造成的位置偏离，使其保持预定期望的定点位置和艏向。本文对船舶动力自动艏向控制策略和方法进行研究，使作业船舶能够在外界环境力较为稳定的时间段内保持特定的艏向，以减少动力定位船舶的受风面积以及推力，达到节能的效果，不仅满足绿色定位的概念也将具有实际工程意义。

1.2国内外研究现状

动力定位系统起始于20世纪60年代，随着人们对海洋资源石油，天然气日益加剧的需求而得到飞速发展。美国CUSS1号船在驳船上携带4个可操纵的推进器，实现了满足深水作业需求的位置保持系统的设想。同年，美国壳牌石油公司钻井船Eureka号完成下水，它由一台张紧索控制系统提供船舶位置参考信息，并将其传递给模拟控制系统，通过控制系统指令来实现定位。自此，其他各国也纷纷开始动力定位系统的研制，20世纪六、七十年代，法国、英国、挪威的动力定位系统也相继研究成功并投入使用。随着计算机技术的发展与科学技术的创新，动力定位系统在系统安全性可靠性，定位精度与效率方面都有了明显提升。

而真正代表动力定位技术发展水平的还是控制技术的发展。至今动力定位控制技术已经经历三代，其特点分别是经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论在动力定位控制技术中的应用。

早期的控制器代表类型，以经典的 PID 控制为基础，分别对船舶的三个自由度进行控制。风力采用风前馈技术。根据位置和艏向偏差计算推力大小，然后确定推力分配逻辑产生推力，实现船舶定位。但实际中海况复杂多变，使得PID参数选择困难。

卡尔曼滤波和最优控制相结合形成了线性二次高斯型LQG 控制，基于 LQG 控制的第二代动力定位系统应用非常广泛。卡尔曼滤波技术的应用解决了第一代动力定位系统中低通滤波滞后的问题，具有在线实时处理的能力，并且执行方便，但也存在模型不够精确和计算量比较大的缺点。

伴随着控制技术的不断发展，尤其是进入九十年代以后，计算机性能不断提高，智能控制方法在动力定位系统获得广泛应用，逐步形成了第三代动力定位系统。20世纪90年代，Fossen等人根据船舶模型的特点，将非线性控制理论中的反步技术应用到DP系统的设计中，设计了非线性反馈控制器，避免了对船舶运动动力学模型的线性化。反步法对于高阶非线性控制有突出的优点，但是设计构造 v 函数，还缺乏系统的方法。21世纪初期，Fossen等人针对不同情况进一步拓展并改进了之前的研究成果，为了适应不同海况的需要，Strand和Fossen设计了带有自适应海浪滤波的非线性无源观测器，增强了观测器的适应能力和鲁棒性。在非线性控制理论中，滑模控制、动态面控制等也有不同程度的应用。非线性控制器和非线性观测器的出现和应用，更好的解决了船舶运动中的非线性特性，使得控制精度更高，而且鲁棒性更强。另外，鲁棒自适应控制，基于观测器的反馈控制方法，模型预测控制等控制方法也相继被提出。

现代智能控制理论也逐渐应用于船舶动力定位。如通过对某些功能指标在H∞空间的无穷范数进行优化而获得的H∞鲁棒控制，实质是多输入-多输出法，此方法和传统PID控制相比具有良好的鲁棒性，并且在误差大的控制系统中应用也能取得很好的控制效果；模糊控制把对被控对象或过程的控制方法集合成一整套以if-then形式的规则库，再通过模糊推理得到控制作用集，最后应用于被控对象或过程，采用模糊控制技术能使系统的控制效果得到很大的改善，但是也还存在很多局限性；神经网络控制为满足控制系统不确定性、复杂性、非线性以及高维性等要求提供了新的思路等。