随着国家战略利益和战略空间不断向海洋拓展和延伸,海洋事业的发展逐渐成为国家发展的重要组成部分,在此背景下,各海洋工程装备得到飞速发展。动力定位船具有定位精度高、灵活性好和定位不受海洋深度限制的优点,因此在海洋工程作业中得到了广泛的应用。由于动力定位船或平台在作业过程中常面临恶劣的海洋环境,且如深海钻探等作业任务一旦发生事故将会造成严重的环境污染并威胁作业人员的生命安全,因此对船舶动力定位作业的安全性和可靠性要求越来越高。要求动力定位船在保证常规的定位作业任务精度的同时具有一定的容错能力,且在某些作业任务过程中发生可接受的故障后依然能够在确保作业船舶安全的前提下,满足一定的作业任务性能指标并继续完成作业。本论文以确保动力定位船作业的安全性为首要目标,围绕船舶推进器故障这一造成动力定位船位置丢失事件发生的主要故障,研究基于解析冗余的故障船舶容错控制方法。本论文主要完成如下几方面的研究工作:首先,建立动力定位船水平面三自由度运动模型和推进系统模型,针对动力定位船作业过程中存在的推进器控制输入饱和问题,提出并建立一种基于模糊集合理论的推进器饱和失效故障矩阵,并基于所建立的模型进行了开环模型实验。其次,针对所建立的船舶非线性运动方程,考虑发生部分推进器完全失效故障情况,提出一种可适用于非线性系统的新型推进器重构模块并将其架设于原标称控制器与故障船舶之间,确保故障船舶的输出在重构模块的指令信号下能够恢复原标称船舶输出的特征,而无需重新调整原标称控制器。针对重构模块中的非线性项,设计积分滑模变结构控制方法,并采用自适应控制技术处理由系统非线性引起的不确定部分和系统所受外界环境干扰组成的总的未知项在故障前后的偏差的上界未知的问题,通过建立推进器饱和失效故障矩阵和构造辅助系统实现对推进器控制输入饱和问题的双重削弱,设计了一种基于自适应滑模抗饱和重构模块的容错控制方法。仿真结果表明该方法能够在船舶推进系统存在故障且各推进器均达到饱和状态的情况下依然确保船舶稳定并保证定位作业任务的顺利完成。而后,考虑到采用重构模块策略实现主动容错控制时系统容错的实时性相对较弱这一问题,为了进一步提高控制器对动力定位船推进器故障的容错能力,结合容错控制有限时间快速响应问题,提出一种基于新型函数向量时变滑模的动力定位船轨迹跟踪有限时间容错控制策略,采用神经网络对系统模型不确定部分进行逼近,并通过自适应控制技术实现对外界扰动、推进器故障以及神经网络逼近误差这三部分的总的上界值的估计,最终实现对船舶期望轨迹的快速跟踪。仿真结果表明该方法能够在船舶推进系统出现严重故障的情况下仍然确保轨迹跟踪误差的渐近稳定,且保证在有限的时间内完成跟踪控制任务,确保动力定位船作业的安全性与实时性。最后,针对动力定位船完成某些特殊作业任务时存在的瞬态性能和稳态性能约束问题,根据船舶的实际作业需求,提出一种动力定位船轨迹跟踪预设性能容错控制策略,通过构造性能函数和误差转换单元,将原跟踪误差系统转化为一个新的等效系统,使得针对原系统的预设性能控制问题转化为针对新的等效系统的稳定性分析问题,并结合自适应控制策略对其中存在的外界环境干扰和不确定推进器故障进行估计,最终实现对系统跟踪误差瞬态性能和稳态性能的约束。仿真结果表明该方法能够在船舶推进系统存在故障的情况下依然保证轨迹跟踪误差的全局预设性能约束,确保了故障动力定位船作业的安全性。本论文针对具有推进系统冗余配置的过驱动动力定位船,根据各推进器间的冗余关系设计容错控制器确保推进器故障船舶自主容错控制的实现,进一步提高了船舶作业的安全性和可靠性。