针对火电机组单机容量和参数不断提高,热工过程和系统更加复杂,过程非线性、时变性、大迟延、大惯性、强耦合性和不确定性越来越严重,建模十分困难的情况,对适应于大型火电机组热工过程控制系统的优化策略进行了研究,以解决目前优化控制中的一些难点问题,提高火电机组自动化水平,确保大型火电机组运行的安全性、经济性和可控可调性。提出了控制系统“时间尺度”的慨念,并结合工程实践积累的经验,给出了一套PID控制器参数工程整定方法。该方法完全摆脱了被控对象数学模型的限制,现场运用简单、有效。对二阶系统的特性进行了深入的分析,应用梯度最速下降方法进行系统辨识,给出了二阶系统参数变化扰动的补偿公式和基于此公式设计的[Opt优化策略]。构建了一种基于经典力学匀加速运动方程的系统状态观测器OD。证明了该观测器在合适选择参数后是一致渐近稳定的,并且是对完全可观系统位置、速度和加速度的无偏估计。并在此基础上设计了运用OD组态的控制系统SCOD,其能够自动消除内、外干扰的影响,鲁棒性能良好,具有工程实用价值。针对确定性大时滞对象,给出了PID控制系统参数的另一种工程整定方法,即参数整定两步法。该方法只需要调整控制器的一个前置系数,即可克服系统纯滞后的影响,使得大时滞控制系统PID参数整定简单化。针对时变大时滞对象,给出了两种改进设计方法。一是在史密斯预估控制系统中加入了[Opt优化策略],这个优化策略能够在被控对象模型未知的情况下直接补偿系统,消除系统参数不确定因素和干扰的影响。二是通过把大时滞系统分解成多个小时间常数的一阶系统,设计了一种基于极点配置的状态观测器,并基于此构建了控制系统,此法可以有效消除系统的动态偏差,提高系统的控制品质。基于系统动力学特性,设计了一种通用控制器。指出鲁棒控制器和内模控制器虽然设计方法和理论不同,但它们的传递函数与本文设计的通用控制器等价,在经典动力学意义上具有统一性。并根据统一性分析,对二阶系统进行状态扩展,引入加速度控制项,改进了二次型优化算法,求解了PID控制参数。提出了一种鲁棒控制器加权函数的通用程序化设计方法。该方法使控制工程师像设计PID控制器一样去设计鲁棒控制器,不再去设计复杂的加权函数。同时设计了一种非线性PID和自校正PID控制器,改进了普通线性PID控制器的不足。对非线性控制系统设计理论上的难点问题进行了探讨,就非线性控制系统的反馈线性化、系统间隙度和非线性系统的优化控制进行了分析。