随着海洋环境资源的竞争日益激烈,浮式生产储油装置(Floating Production Storage and Offloading vessel,FPSO)凭借抗风浪能力强、储卸油量大的优点被广泛应用于深海石油的开采过程中,面对深海开发频频遭遇的恶劣海洋环境,FPSO的安全性日益受到人们的重视。本文研究建立了FPSO锚泊系统模型,并为使其能在锚泊状态下抵抗海洋环境干扰,设计了考虑输入饱和情况的滑模控制器,实现了锚泊辅助动力定位功能,文章主要研究内容如下:建立了FPSO船体的运动学和动力学数学模型,带浮筒的锚泊系统模型和海洋环境模型。首先,以北东坐标系和船体坐标系为参考坐标系,分别建立了FPSO船体的运动学模型和动力学模型;之后对内转塔式FPSO锚泊系统的缆线进行受力分析,建立了基于悬链线法的带浮筒锚泊系统模型;最后,建立海洋环境模型,通过仿真分析建立的船体运动数学模型和锚泊系统模型的正确性,作为后续动力定位控制系统设计的基础。针对建立的FPSO锚泊系统模型,使用荷兰Marin水池提供的锚泊系统仿真软件Termsim进行内转塔式FPSO锚泊状态模型校核。在Termsim仿真环境中,分别建立FPSO的船体模型和锚泊系统模型,设定风、浪、流海洋环境参数,获得FPSO在海洋环境下的锚泊位置分布情况。通过仿真,分析船体位置姿态与锚泊系统受力随时间变化的情况,验证了FPSO锚泊定位的有效性、锚泊系统的安全性和锚泊状态下的风向标效应。针对建立的FPSO运动数学模型,设计基于结构可靠性的锚泊动力定位滑模控制器。首先,通过引入锚泊系统缆线的结构可靠性因子,设计矩阵将锚泊定位系统与动力定位系统结合;然后,采用滑模控制算法设计了锚泊辅助动力定位控制器并使用李雅普诺夫定理证明系统的稳定性。最后,通过仿真实验,将该控制器分别与不考虑结构可靠性的传统滑模控制器和考虑结构可靠性的反步控制器作对比,验证所提出的基于结构可靠性的滑模控制器的有效性、安全性和节能性。考虑实际情况下存在输入饱和的问题,在建立的结构可靠性的锚泊辅助动力定位滑模控制器基础上进一步改进。首先,引入双曲正切函数对输出的控制力进行平滑处理。然后,设计饱和补偿辅助系统对系统的输入饱和进行补偿,并通过李雅普诺夫定理证明系统的稳定性。最后,仿真验证设计的两种控制器能够在纵向、横向推力和转艏力矩存在限制的情况下,控制FPSO实现动力定位控制并保证锚泊系统安全。