随着人们在海洋中的工程作业活动越来越多,人们对船舶动力定位技术越来越重视。长期运行在海洋中的动力定位船舶或设备所消耗的能量与排放的废气不可忽视。本文以水面动力定位船舶为对象,针对其具有非线性、大迟滞、强耦合等特点,研究了基于非线性模型预测控制的环境最优动力控制算法,减少了燃料的消耗,降低机械磨损,实现节能减排的目的。本文的主要工作内容如下:1.为更精确描述海洋环境中船舶的运动特性,兼顾船舶的操纵性和耐波性,建立了6自由度的船舶统一数学模型以及风、浪、流环境干扰的数学模型。首先,建立了船舶运动特性研究用的参考坐标系;其次,将船舶的所有作用力叠加,建立了船舶的统一数学模型;然后,建立海风、海浪以及海流三种环境干扰的数学模型;最后,以S175船舶为研究对象,仿真出了船舶模型验证试验结果。2.设计了基于非线性模型预测控制算法的船舶动力定位控制器。首先,介绍了非线性模型预测控制算法运用的李导数的相关数学基础;其次,将所建立的六自由度仿真用船舶统一数学模型,推导简化成三自由度控制用数学模型;之后,设计了非线性滤波器,又设计了环境观测器;然后,设计了基于解析非线性模型预测算法的动力定位控制器,并借助Lyapunov稳定性定理阐述了动力定位控制系统的稳定性;最后,进行仿真试验验证了船舶控制器的有效性。3.研究不同的环境最优控制策略,并设计基于非线性模型预测控制的环境最优动力定位控制器。首先,研究了环境最优艏向控制策略,包括零侧推控制策略和零艏摇力矩控制策略;然后,选用零侧推控制策略,分别设计了零功耗风向标控制器(ZPC-W)与环境最优动力定位控制器(WOPC)以及基于环境估计的环境最优动力定位控制器;最后,进行了仿真对比试验,验证了环境最优动力定位控制器在节能减排方面的有效性。通过以上研究,实现了基于非线性非线性模型预测算法的不同策略下的环境最优动力定位技术,通过仿真结果证明,所研究的方法使动力定位船舶在节能减排方面获得了较大的收益。可见,本文的研究对未来动力定位船舶的理论研究和工程实际应用,都有着较好的借鉴意义,并为现代动力定位技术揭示了更广阔的发展前景。