我国南海油气资源总量占全国的1/3,并且主要集中在500～3000m深水海域,随着"建设海洋强国"、《中国制造2025》和"2]世纪海上丝绸之路"国家战略的逐步实施,越来越多深水作业的船舶或平台将会配备动力定位系统。现在海洋行业对动力定位船舶或平台作业的安全性和可靠性要求越来越高,为了确保动力定位船舶或平台的作业安全,必须同时确保动力定位系统的控制精度和一旦发生动力定位系统失效后能及时、安全、有效地解脱。本文首先建立了动力定位系统船舶数学模型,按38:1缩小比设计、制作了供给船船模用于海洋环境扰动仿真平台和预测模型控制算法的试验验证,然后搭建了海洋环境扰动仿真平台用于预测模型控制算法和钻井平台漂移曲线的仿真计算,并提出了基于状态估计器的模型预测控制算法,开发了基于钻井平台漂移和驱离曲线的深水钻井船或平台动力定位系统失效移位计算软件,并通过了"海洋石油981"平台实船验证,主要的研究工作包括以下四个方面内容:1、首先描述船舶运动的坐标系,并建立了动力定位系统船舶数学模型,包括船舶动力学模型和船舶运动学模型,按38:1缩小比设计、制作了海洋平台供给船船模,通过大量的试验获得了船模的水动力参数,最后基于Matlab搭建了动力定位系统船舶运动数学模型,为后续仿真、船模试验奠定了基础。2、从船舶动力定位控制系统研究的核心问题——环境扰动切入。为了有效地量化海洋环境对动力定位船舶或平台的作用,分别建立了精确的风力、波浪和海流数学模型,基于Matlab/Simulink构建了海洋环境风力、波浪扰动的仿真平台,综合研究风力、波浪扰动的特性以及风力、波浪扰动对船舶的作用力/力矩和船舶位置的影响,最后利用所搭建的供给船船模进行了水池验证试验,验证了所搭建海洋环境扰动仿真平台的准确性、有效性和通用性。3、针对动力定位系统中存在状态不完全可测时的控制问题,提出了基于状态估计器的模型预测控制算法,实现了约束条件下的动力定位系统精确控制,基于Matlab/Simulink对有无约束及有无状态估计器的模型预测控制进行了仿真对比分析,最后进行供给船船模水池试验,通过仿真计算和船模试验结果验证了基于状态估计器的模型预测控制算法的有效性和准确性。4、针对深水钻井船或平台发生动力定位系统失效移位时隔水管系统的解脱时间问题,统计分析了钻井船或平台动力定位系统失效移位事故数据,分析了钻井船或平台动力定位系统失效移位模式,研究深水钻井船或平台在动力定位系统失效后的平台移位运动规律,根据海洋环境扰动仿真平台仿真计算钻井平台漂移曲线,建立了深水钻井船或平台隔水管系统紧急解脱界限值的计算方法,开发了深水钻井船或平台动力定位系统失效移位计算软件,并通过"海洋石油981"平台实船验证,确保能及时、有效、准确地解脱隔水管系统,保证了深水动力定位钻井船或平台的作业安全。