随着我国深海探索和开发事业的不断深入,海洋船舶对动力定位(Dynamic Positioning,DP)系统的依赖性越来越高,对其控制精度、可靠性和适应性也提出了更高的要求,需要在设计要求的各种海况下都能达到较高的控制精度。但是,推进器的空泡现象、露出水面状况,桨间干扰,低效率区等都会产生严重的推力损失,影响控制精度,大大减少推进器的使用寿命,因此对推进器的实际推力进行估计,研究考虑推力损失的推力分配方法是至关重要的。本文围绕此前沿性课题,结合相关工程应用,对船舶动力定位作业过程中推进器的推力估计方法和推力分配算法展开了深入研究,研究内容主要包括:为了真实反映运动控制过程中船舶和推进器对环境干扰及控制输入的响应特性,建立三自由度船舶运动学和动力学模型、环境负载模型、螺旋桨轴动力学模型、电机动力学模型、轴摩擦转矩模型以及四象限螺旋桨水动力特性。给出可用于仿真验证的试验船和推进器的模型。为了实现推进器的四象限推力估计,提出基于螺旋桨四象限敞水特性的推力估计方法。首次采用准静态方法处理摩擦转矩中的非线性项,研究转矩估计器和转矩系数估计器,并分别进行了稳定性分析;推力估计方法是通过推力系数和转矩系数间的映射关系,以及转矩和转矩系数估计结果实现的。并给出只有转矩估计,或只有转矩系数估计时的推力估计算法。仿真结果表明所研究的推力估计算法可快速、准确、有效地实现对螺旋桨实际转矩和推力的估计。为了解决复杂环境下的多推进器推力分配问题,从海洋环境、操作工况和推进器约束这三个方面详细分析了推力分配的影响因素,并以此为导向,引入分层思想,将不同海况和工况下采用的推力分配算法,以及算法间的切换监督控制等进行层次化抽象,建立包括应用层、协调层、算法库层和物理层4个层次的推力分配分层体系结构。为了提高不同海况下的推力分配性能,提出了多种推力分配算法。针对中等海况下的推力分配问题,采用一种更为精确的近似方法修正了功率惩罚项,建立综合考虑分配误差、功率消耗和推力均衡性的优化目标函数,研究了二次规划推力分配算法。针对平静海况和高海况下的推力分配问题,对提出的二次规划算法进行改进,分别引入推进器偏置和推力损失惩罚因子,提出了分组偏置推力分配算法和恶劣海况推力分配算法。仿真结果表明提出的推力分配算法都能有效解决应对的问题,具有较高的可靠性和有效性。为了实现所研究的推力分配算法间的切换,增强推力分配算法的适应性和鲁棒性,将带有停留时间和迟滞切换的多模切换控制引入到推力分配层面,提出一种推力分配切换监督控制策略,以及不同海况、不同工况下推力分配的切换方法,和非凸推力分配的切换处理方法。仿真结果表明研究的推力分配切换监督策略,可根据切换逻辑,在不改变控制器的情况下,通过推力分配算法自适应切换,提高动力定位船的控制性能,具有较高的可靠性和有效性。