船舶动力定位系统是一种仅由船舶自身的推进系统产生推力抵御外界环境扰动,维持其设定位置及艏向或跟踪某一设定轨迹的自动控制系统。船舶动力定位高层控制系统是整个动力定位系统的核心,由动力定位控制器模块和推力分配模块构成,其中动力定位控制器计算出船舶抵抗环境扰动所需要产生的期望合力和力矩,推力分配将期望合力及力矩分配到各个推进器上。本文针对船舶动力定位控制器的设计和推力分配优化问题进行研究,旨在提高船舶的定位精度,延长推进设备的使用寿命,增强动力定位控制系统的性能,具体研究工作如下:首先,建立船舶运动参考坐标系,构建船舶水面三自由度运动数学模型,分析海洋环境扰动对船舶运动的影响,建立海洋环境扰动数学模型。然后,基于离散船舶水面三自由度运动状态空间数学模型,设计扰动观测器估计出作用在船舶上的环境扰动力及力矩,根据模型预测控制的基本原理,结合扰动观测器,设计船舶动力定位控制器。进一步,以降低推进器功率消耗、减少推力分配误差以及避免推进器配置矩阵奇异为优化目标,根据推进器机械限制设置约束条件,建立推力分配优化数学模型,利用序列二次规划法解决推力分配优化问题,同时考虑到推进器状态变化缓慢,单步优化可行域有限的问题,将推力分配视为一个多步决策过程,采用模型预测控制方法解决推力分配多步优化问题。最后,以一艘缩尺模型船为例,在Matlab环境下进行仿真研究,仿真结果验证了所设计的扰动观测器、动力定位控制器以及推力分配优化方法的有效性。