在能源危机和环境污染的双重压力下,可再生清洁能源——风能在船舶推进上的应用逐渐受到业界关注。其中,机翼型硬质风帆(风翼),因其具有可利用风向范围大和升力系数高的特点,成为了重要研究对象。以风翼作为辅助推进装置的风翼-柴油机混合动力船舶,风翼既产生了有利的助推力,又产生了不利的侧推力,同时风翼作用力的变化会给船舶运动带来扰动。因此,风翼助航船舶的运动控制研究,对风翼系统在船舶上的高效利用和风翼助航船舶的安全稳定航行有着重要意义。本文以某6万吨的风翼助航散货船为目标船,以风翼为船舶提供最大助推作用为目的,以航向跟踪为控制目标,通过理论、试验和仿真相结合的分析方法,对风翼助航船舶运动模型的建立、风翼控制策略的设计和船舶航向控制算法的优化进行了比较系统的研究。论文主要完成了以下工作:(1)基于空气动力特性理论,结合风洞试验数据,分析了目标风翼的作用力和力矩特性;以提高相对风向测量的准确性为目的,提出了基于弯曲应变原理的圆柱形风翼桅杆的矢量力测量方法,通过理论计算与试验测试验证了该测量方法的可行性;通过对液压驱动风翼回转系统的试验,分析了风翼回转系统的静态特性和动态特性,建立了风翼回转动态响应模型,并采用Matlab/Simulink软件进行仿真分析。综合上述研究,建立了风翼助航系统回转运动模型,采用PD控制算法实现了风翼回转的自动控制,并通过仿真分析验证了模型的有效性。该模型输出的风翼作用力为风翼助航船舶运动控制提供了有效的输入量。(2)根据目标船相关参数,建立了风作用影响下的船舶前进、横移和首摇的三自由度运动模型,结合实船试航数据,采用Matlab/Siimulink软件对该模型进行仿真分析,仿真结果验证了船舶运动模型的有效性;然后,将风翼助航系统回转运动模型输出的风翼作用力集成到船舶受力模型中,建立了“风翼-推进-操纵系统”动力融合的风翼助航船舶运动模型,该模型为风翼助航船舶的运动控制研究奠定了理论基础。基于该模型,分别对有无风翼作用两种条件下的船舶运动进行仿真分析,仿真结果表明,不同相对风向下,风翼侧推力与风对裸船体侧推力的方向不一定相同,该结论为最佳攻角的选取提供了判定依据。(3)对风翼和风对裸船体共同作用力下的船舶运动进行仿真分析,得到不同绝对风速和不同相对风向下二者合力对船舶稳态航速变化的影响,分析了能够为船舶提供最大助推作用的风翼攻角控制方案;根据实测风向波动问题和风翼失速问题,对检测风向进行滤波处理,对风翼失速角控制进行条件限定,设计了风翼攻角控制策略;结合风翼攻角控制方案和攻角控制策略,实现了风翼助航系统的闭环控制,并根据该闭环控制策略分别对采用定主机转速和定船舶航速两种航行模式的风翼助航船舶运动控制进行仿真研究。仿真结果表明:风翼攻角控制结果的精确性验证了其控制策略的可行性,主机油门刻度和船舶航速的变化趋势体现了风翼作用的显著节能效果。(4)由于常规的PID自动舵不能够满足风翼作用下船舶航向控制的快速性与精确性,本文基于滑模变结构控制算法,根据风翼助航船舶运动模型,对自动舵进行初步优化。然后,分别采用反步滑模控制算法、鲁棒自适应滑模控制算法和模糊自适应滑模控制算法,对自动舵进行进一步优化。最后,通过对阶跃响应、正弦跟踪和风向干扰三种控制条件下的船舶航向控制进行仿真,对比分析阶跃控制超调量、阶跃控制调节时间、阶跃控制静态误差、正弦跟踪误差和扰动下的波动值等参数。分析结果表明:相比PID自动舵,滑模自动舵具有更好的控制效果;而基于滑模控制的三种自动舵中,模糊自适应滑模自动舵具有最佳的控制效果。