电网用电量的高峰和低谷的频繁变动要求联网发电的燃煤火电机组的运行工况不断地改变。在这个过程中,机组展现出的强非线性、耦合性及参数的时变性等常常造成现有的控制系统性能下降,有时会造成控制系统失灵而被迫采用手工调节,严重的影响了机组运行的安全性和经济性。应对措施之一就是引进适应性强的高性能控制系统。为此,研究机组的动态特性并建立模型是研发高性能控制系统成功的关键。过热系统是大型燃煤机组中的重要组成部分,其输出的主蒸汽压力和温度是要控制的主要参数。本文先提出一种能够确定具有两个独立自变量函数关系式的新方法-双线性拟合法,并予以证明。然后,从过热蒸汽的热力特性入手导出过热蒸汽的比焓函数和密度函数的简化计算式。在此基础之上,依据质量平衡和能量平衡原理建立了过热器的数学模型,揭示了蒸汽流量、吸热量和减温器喷水流量对主蒸汽压力和温度动态特性的影响。燃料系统的延迟时间、动态系数以及蒸发系统的热惯性是影响锅炉响应负荷指令变化速度的主要因素。本文依据守恒定律建立了这两个系统的模型。利用炉膛辐射能信号能够及时反映燃料燃烧释放出的热量的特点,可以确定燃料系统的延迟时间及高温段过热器吸热量;燃料系统的动态系数由辨识方法确定;通过分析和拟合将复杂的蒸发系统热惯性表达式转化为简便的计算式。利用一台300MW燃煤机组运行数据和计算对de Mello的简化模型中汽包出口蒸汽流量的计算式进行了修正。在验证模型方面,本文仅用实际机组变负荷运行条件下测量的数据。这样,可以避免外加试验信号对机组正常运行的干扰。将适当的非线性控制方法引入到火电机组的控制设计中对提高机组控制系统的性能大有裨益。微分几何非线性控制和非线性模型预测控制是两种令人感兴趣的控制方法,它们适于处理运行条件变化大的非线性过程的控制问题。本文利用微分几何非线性控制方法对一台300MW燃煤机组非线性模型进行了解耦线性化控制设计。在设计方案中,考虑到实际控制执行机构具有幅值约束条件的限制,增加了指令处理器的设计,通过减缓指令的轨迹以使控制约束条件得到满足。由于非线性机组模型被解耦线性化,因此,该控制系统能够使机组在大范围内跟随指令要求且保持稳定。基于泰勒级数展开式的非线性模型预测控制方法可以导出解析形式的控制规律,避免了在线滚动优化的计算负担。因而,在复杂的过程控制中具有明显的优点。本文将这种控制方法引入到一台燃油火电机组的控制研究中。为了克服机组的某一状态变量不可测量的缺陷,将控制器的实现形式采用为模型状态反馈内模控制结构。这样,一方面可以避免设计非线性观测器的麻烦,另一方面也增强了控制系统的抗干扰能力。通过证明发现,该设计方案具有一定的鲁棒性。