1.1研究目的及意义

船舶动力定位系统(Dynamic Positioning System)是指不依靠外界的辅助，通过固有的动力装置来对船舶或作业平台进行定位的一种闭环控制系统^[1]，系统包括控制系统、测量系统和推进系统，控制系统是整个系统的核心。动力定位系统主要由三部分组成 : 1 )位置测量系统,测量出船舶或平台相对于某一参考点的位置,其种类有 DGPS、电罗经、张紧索系统、水下声呐系统、垂直参考系统、风力传感器等；2 )控制系统,首先根据外部环境条件（风、浪、流)计算出船舶或平台所受的扰动力,然后由此外力与测量所得位置,计算得到保持船位所需的作用力,即推力系统应产生的合力，并传递给推力系统；3 )推力系统根据控制系统计算出的推力来控制船舶，从而使船舶保持在预期位置或沿预期的轨迹航行,一般由数个推力器组成^[2]。海洋动态定位系统( DPS )已广泛应用于许多海上浮动船舶/平台，是海洋资源勘探开发的重要支撑技术^[22]。

动力定位系统的控制系统经历了从PID控制、线性最优控制到智能控制的发展历程。第一代船舶动力定位系统的控制器采用的是传统的PID 控制技术，对船舶在纵荡、横荡和艏摇三自由度进行分析，剔除高频干扰。这种方法在早期曾取得成功，但是它有不可避免的缺陷：一是除了风前馈以外，位置和艏向控制都不是以模型为基础的，属于事后控制，控制的精度和响应的速度都有局限性；二是若在PID控制器的基础上，采用低通滤波技术，可以滤除高频信号，但它却使定位误差信号产生相位滞后。这种相位滞后限制了可以用于控制器的相角裕量，因此滤波效果越好，则对控制器带宽和定位精度的限制就愈大；三是PID参数难以选择，一旦海况和船体有变化，PID参数将不得不重新选择。

第二代动力定位控制技术是LQG控制，该技术在现代的船舶应用十分广泛，它将Kalman滤波引入到动力定位的控制中，通过Kalman滤波器测量船舶的位置信息，然后估算出其低频运动状态，并将之反馈形成针对船舶低频运动的线性随机最优控制。LQG控制在鲁棒性、节能和安全上较PID控制都有较大的进步，同时还解决了在控制中由于滤波而导致的相位滞后的问题,具体可参见[3][4]。但是也有一些缺点：一是它的计算工作量比较大；二是由于模型不够精确导致有一定的误差产生^[5]。

随着计算、传感和通信技术的迅速发展，提出了更加复杂的控制策略和理论。随着第三代DP产品的推出，DP系统已由自动控制发展为智能控制。例如，反步法( Backstepping )在[6][7]中设计，非线性规划算法在[8][9]中测试，无源控制技术和先进控制理论用于[10][11][12]，滑模观测器^[13][14]，输出反馈控制^[15][16]，逆线性矩阵不等式方法[^17]，鲁棒控制^[18][19][20]，都被探索过。正如这些参考文献中提到的，定位精度和能量消耗确实得到了提高。

然而，这些控制方法都是基于船舶的简化运动模型，没有考虑船舶与波浪频率相关的辐射阻尼。控制系统的时域运动模型只考虑了一个常数阻尼系数，这种简化没有考虑流体记忆影响（fluid memory effect）,因而不能精确求解船舶在波浪等环境载荷下的运动响应，从而在求解所需推力的过程中引入误差，最终影响动力定位系统的精度。

为了更精确地计算船舶保持预定位置所需的推力，控制系统应该基于一个精确高效的时域运动控制方程。因此，本课题针对现用控制系统的缺陷，通过完全模拟船舶时域运动方程的波浪辐射阻尼，建立一个精确高效的时域模型，并谈妥基于该模型建立控制系统的可行性。利用挪威科技大学开源软件MSS，加深对动力定位系统的理解并积累实际编程和计算经验。 船舶系统模拟器( MSS )是一种为船舶系统数学模型的快速实现提供必要资源的环境，其重点是控制系统设计。模拟器针对不同浮动结构及其执行各种操作的系统的模型，并提供了可供模拟的示例。^[21]

1.2国内外的研究现状

控制理论方面：在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展推动了核能技术、空间技术的发展，从而出现了多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。五十年代后期，贝尔曼(Bellman)等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规划。1959年卡尔曼(Kalman)和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。1961年庞特里亚金(俄国人)提出了极小(大)值原理。罗森布洛克(H.H.Rosenbrock)、欧文斯(D.H.Owens)和麦克法轮(G.J.MacFarlane)研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。20世纪70年代奥斯特隆姆(瑞典)和朗道(法国，L.D.Landau)在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展。

船舶动力定位系统方面^[1]：船舶动力定位系统最早开始使用是从20世纪60年代和70年代初。而率先使用动力定位系统的船是用于铺设电缆，勘探或是对水下的作业进行一定的水面支援，并且船的排量大概是450-1000吨。钻井船”Eureka"号是世界上第一艘基于自动控制原理设计的动力定位系统船舶。动力定位系统最明显的特点是它一般都装有好几台推力器，但是并不会影响船体的形状和尺寸。在早期的装有动力定位系统船舶中，最出名同时也是最成功的是”格洛马挑战者”号。这艘船差不多游遍了世界的每一个海洋，在水深超过2000英尺的海洋中收集岩心，这些岩心为地质学上的发现特别是为板壳结构理论提供了非常有利的证据。