随着经济水平的提高,人们对能源的消耗越来越大,由于目前的能源利用主要以化石燃料为主,不可避免地会产生污染问题,而国家和社会对环境的要求越来越高,节能环保成为当今发展的重要目标。在此背景下,风帆助航船舶以其良好的经济性和环保效益再次成为航运业的热点之一。江海直达散货船因航线的特殊性,对其排放性能要求更为严格。加装风帆可降低能耗,减少污染,但风帆产生的作用力,会对船舶的航向稳定性造成一定影响。通过建立加装风帆的江海直达散货船的运动模型,设计船舶航向控制系统,进行仿真计算,以检验船舶在直行状态下受到不同风况下的航向保向性。首先,根据目标船的特点,选择合适的风帆,在不对货物装载、驾驶视线和通航限制产生影响的情况下,选择风帆的尺寸和布置,运用有限元分析对风帆的空气动力学特性展开研究,计算风帆在不同风况下的受力分布,得到风帆在助航状态下对目标船的作用力和力矩。目标船为20,OOODWT的江海直达散货船,基于分离型建模标准,分别计算出作用于船体、螺旋桨、舵上的流体动力及力矩、作用于船体上的风压、作用上风帆的力和力矩,和所有受力之间的相互关系,建立基于三自由度运动数学模型。以Matlab/Simulink为仿真工具,进行直航性、回转性仿真实验。由于船舶运动模型的复杂性和非线性的特点,常规PID控制器难以满足相关要求,利用神经网络具有的非线性、高稳态的特点,设计基于单神经元网络PID控制模型和CMAC_PID控制模型。将常规PID控制器、单神经元网络PID控制器、CMAC_PID控制器分别作用于航舶运动模型中,对各个控制器的参数进行整定,根据不同的航向偏差,以运动模型的航向角、舵角、航向偏差、航迹为输出量,验证仿真系统的正确性。之后给处于直航状态下的船舶给予不同风向的干扰,判断航向稳定性。依据仿真结果进行分析,对比常规PID控制器、单神经元网络PID控制器、CMAC_PID控制器的输出量,比较各个控制器的性能。仿真结果表明,在正常海况下,三种控制器均可在利用风帆增加航速的同时,保持船舶的稳定性,其中常规PID控制和单神经元PID控制的效果基本相似,CMAC_PID控制器的效果最佳。