气垫船依靠垫升系统,通过空气静压力的支撑,在航行时可以完全脱离地面或水面,具有独特的水陆两栖性,速度快,耐波性好,是现代高性能舰船中的佼佼者。其动力装置中,主机一般采用燃气轮机作为原动机;推进器采用空气螺旋桨以提供气垫船航行时所需要的推力;采用垂直空气舵来控制气垫船的航向。气垫船船-机-桨-舵系统组成一个能量转换系统。为使转换效率最佳,各部件必须配合运行。这就涉及到气垫船船-机-桨-舵的匹配与优化控制问题。目前国内尚无关于气垫船机-桨匹配方面的研究,本文将以能量守恒定律为基础对气垫船航行时的船-机-桨-舵的匹配进行分析、计算及优化研究。首先,本文以某型气垫船为研究对象,采用日本数学模型建模小组(MMG)提出的分离式建模思想对气垫船各部件进行建模,并最终建立了气垫船四自由度运动数学模型;然后对其直航特性、回转特性进行了仿真分析,以验证模型的正确性;在此基础上设计了 PID自动舵控制器,实现了对气垫船航向的控制。其次,研究了气垫船船-机-桨-舵匹配的基本原理和方法。结合气垫船有效马力曲线、可调距空气螺旋桨推进特性曲线和燃气轮机特性曲线,对船、机、桨、舵之间的平衡关系及其匹配计算方法进行了研究,实现了气垫船加速度为零(即稳态工况)时的船-机-桨-舵的匹配。最后,结合稳态匹配情况,利用模型预测控制的方法,对燃气轮机燃油量和调距桨的螺距进行联合控制,合理调整机、桨运行参数,实现了气垫船动态工况时的船-机-桨-舵的匹配及优化控制。结合气垫船运动数学模型对气垫船船-机-桨-舵的动态匹配性能进行仿真验证。综上,本文在建立气垫船操纵运动数学模型的基础上,分别进行了稳态工况和动态工况下的船-机-桨-舵的匹配计算分析与优化控制方法研究,通过仿真验证了本文所提出方法的有效性与正确性。本课题所得结论对后续开展高速船在高效、节能、安全航行与优化设计研究方面,具有较高的借鉴意义和实用价值。