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随着世界人口的激增和工业的快速发展,陆上资源的利用已日渐枯竭,开发丰富的海洋资源已成为各海洋大国竞相角逐发展的焦点。由于受到复杂多变的海洋环境影响,先进可靠的海洋工程装备已成为深海资源开发中必不可少的一部分,船舶动力定位系统(Dynamic Positioning System,DPS)更是这些海洋工程装备中最耀眼的一颗明珠。船舶动力定位系统是一个闭环反馈控制系统,依靠自身配备的推进系统抵抗外部环境载荷,使船舶保持期望的位置和艏向或者按照设计的目标航行。本文主要针对船舶动力定位的定点模式控制和循迹模式控制进行了研究,主要的研究内容和成果包括:(1)针对DPS定点模式控制,本文将无源滤波的输出作为控制器设计的输入,分别设计了无源输入PID控制、无源输入LQ(Linear Quadratic)控制和无源输入反步积分控制,给出了相应的稳定性分析,保证了滤波和控制级联系统的稳定性。此外,本文将执行机构的动态特性考虑到DP低频运动数学模型中,提出了基于动态执行机构的无源输入反步逆最优控制,将现有的两步反步逆最优过程推广到三步反步逆最优过程,使船舶控制具有较强的抗干扰能力,实现了船舶定点模式控制能耗最优并减小了推进器的磨损。本文还研究了环境最优控制,提出了一种新的圆心运动控制和基于无源PID的控制器设计,简化了环境最优控制器的设计过程,加快了系统的响应速度,提高了位置保持的精度。(2)针对DPS中的循迹控制模式,本文研究了路径规划、引导系统和循迹控制系统。围绕路径规划算法,本文提出了一种基于直线和圆弧光滑连接路径的改进算法,提高了路径规划的精度;还设计了一种通过所有路径点的连续曲率路径,适应了不同精度要求的路径规划。围绕引导系统设计,本文提出了时变line-of-sight(LOS)引导律的改进算法,积分型LOS(Integral LOS,ILOS)引导律的改进算法以及基于连续曲率路径的两步LOS引导律,使船舶循迹控制能够反应迅速并获得更好的效果。围绕循迹控制系统设计,本文设计了基于动态执行机构的反步积分控制器,实现了循迹控制的控制目标。本文最后通过模型实验分析了直线和圆弧连接路径下纵向速度和半径大小对循迹效果的影响,并验证了连续曲率路径下时变LOS引导律和两步LOS引导律的有效性。