当前,人类对能源的利用依然以化石原料为主,然而化石燃料带来的副作用早已暴露无遗,温室效应、大气污染等已是久治无效、刻不容缓的问题,而且随着地球资源的日渐枯竭,能源问题势必将影响到未来各行各业的发展,在这种特殊的环境下,就航运业而言,开展可再生能源在船舶上的应用研究具有很大的实用价值和现实意义。本文主要研究风能在大型远洋船舶上的应用,以风帆助航船舶为研究对象,建立了风帆助航船舶的运动数学模型,设计了风帆助航船舶的航向控制系统,并对其进行仿真研究。文中主要对风帆助航船舶的选型及受力分析、三自由度运动数学模型的建立、航向控制系统的设计及仿真等几个方面展开了详细的研究。首先,通过对比不同风帆的性能选择适合目标船的帆型,研究所选帆型的空气动力性能,对加装风帆后的目标船进行受力分析,得到目标船在不同绝对风向角下对应的最佳帆向角,使目标船在不同风况下均能获得最大推力,并计算在海风的影响下,风帆在最佳帆向角时对目标船的作用力和力矩。接着,利用MMG模型的建模方法,在附体坐标系中建立了风帆助航船舶的分离型水平面三自由度运动数学模型,并分别分析和计算了作用于裸船上的流体动力、螺旋桨推力、舵力、风干扰力,以及相应的力矩。然后,对已建立的风帆助航船舶的三自由度运动数学模型进行整理和改写,得到以船舶纵向速度u、横向速度v、转首角速度r、航向角φ、东向航行距离X、北向航行距离Y为输出的仿真模型。选择四阶龙格库塔法为仿真算法,matlab/simulink为仿真工具,对风帆助航船舶进行直航性能、回转性能仿真试验。最后,根据航向控制原理,设计风帆助航船舶的航向控制系统,选定PID控制器为航向控制系统的控制器,整定PID参数,对不同航向偏差下,风帆助航船舶的航向角、舵角、航向偏差、航迹进行仿真,验证航向控制系统的正确性,并对不同风况下风帆助航船舶的保向性进行仿真模拟,对仿真结果进行研究。通过分析仿真结果得出：在正常海洋环境下,利用所设计的航向控制系统,风帆助航船舶能在获得可靠的风帆推力同时,保证船舶航行过程的航向稳定性。