日益严重的能源枯竭和环境污染问题迫使人们寻找储量丰富的清洁替代能源。高温气冷堆因其本质安全属性最有希望成为第四代新型核能堆型,目前国家正大力支持高温气冷堆核电站的研究。HTR-PM核电站是清华大学设计的基于球床模块技术,并采用“两堆带一机”结构的高温气冷堆核电站,其特性与目前主流的压水堆或沸水堆核电站差别很大。其强非线性,大纯滞后特性让平稳控制变得困难。论文针对HTR-PM的大范围变负荷问题展开系统的研究。论文的主要内容包括：1.搭建并完善HTR-PM核电站半实物仿真平台,开发基于OPC标准的半实物平台与先控软件的通讯接口,使整个平台适于实验操作。分析了现有PID控制方案的优缺点,设计辨识实验得到不同工作点处的线性模型。采用gap metric的方法评价不同工作点模型间的非线性。设计基于线性MPC的控制方案,并在半实物仿真平台上进行大范围变负荷的控制仿真。2.针对大范围变负荷过程的强非线性特性,提出一种基于在线集结策略的机理模型非线性预测控制算法。以HTR-PM核电站的DAEs方程组作为机理模型,基于有限元正交配置法进行离散化,将求解DAEs问题转化为求解NLP问题并采用内点法进行数值求解。由于DAEs离散化后模型规模巨大,采用在线集结策略减少计算规模,加速求解。3.针对机理模型预测控制算法的计算时延问题,提出粗细两层优化的控制算法。分别在CSTR对象和HTR-PM对象上进行大范围变负荷控制仿真,验证了算法在模型失配条件下的稳定性与理想NMPC控制器相同,求解时间缩短了40%。最后,在总结全文工作的基础上对后续的研究工作进行了展望。