动力定位(Dynamic Positioning,也叫作DP)系统是工程船舶和海洋平台等浮式结构物的重要控制系统,是人类向深海探索进军和发展海洋经济的有效保障。近年来,随着船舶DP系统及其所涉及的各子模块的发展势头日渐强劲,其研究已成为船舶与海洋工程领域一个关注热点。船舶DP系统是使船舶依靠推进系统产生的推力来克服风、流、浪等外部环境干扰从而保持一定位置和艏向的装置。由于海洋环境复杂多变,合理有效的数学模型的建立和控制算法的设计是动力定位船舶控制系统研究的一个重要方面。本文以一艘75米平台供应船的1:20船模为研究对象,对其控制系统中三个重要的模块开展设计和仿真研究。首先,针对水面船舶建立了动力定位模式下运动的三自由度数学模型,包括运动学模型和动力学模型;讨论了海洋环境风、浪、流作用力的仿真模型;介绍了推进系统的结构和推进器的推力模型。从船舶的运动模型出发,引入Kalman滤波对船舶运动进行状态估计,分析了 Kalman滤波的原理及其在系统中的应用,并采用离散型Kalman滤波器滤除高频分量和噪声,辨识出船舶完成动力定位需要控制的低频信号。此外,对Kalman滤波器加以改进,在算法中引入自适应因子,构成自适应Kalman滤波器。该算法能降低历史估计值对状态估计值的影响,增大新测量值的权重。通过仿真实验对比证明滤波效果良好。针对控制系统模型时变、非线性和动态性强的特性,本文的控制算法采用带积分项的Backstepping方法,借助Lyapunov函数构造系统的控制律,以此改善系统的动力定位效果。将上述控制策略与常规PID方法的控制效果以及控制机理进行对比,通过仿真实验验证了模型和算法的有效性。根据推力分配单元中涉及到的各种问题,包括能耗、推进器的种类和布置、推进器的物理特性限制、奇异结构的避免等,构造优化问题的约束条件和目标函数,运用序列二次规划算法给出求解逻辑。最后,通过仿真实验,针对给定的75米平台供应船船模,对所设计的推力优化分配算法进行了验证。