反应堆核热耦合系统的控制包含了核反应堆堆芯功率、冷却剂温度、压力、流量等控制，是反应堆控制中最为核心的部分。因此核热耦合系统控制的性能对反应堆整体的安全运行有着极为重要的影响。本文围绕如何提高反应堆核热耦合系统运行与控制的安全性问题，在广泛调研国内外反应堆控制、仿真以及故障诊断技术的基础上，结合经典控制理论与交叉学科在反应堆工程中的应用，重点围绕“反应堆核热耦合控制算法设计”、“反应堆核热耦合系统的在线故障诊断”以及“系统验证”三个关键技术，开展了理论与应用方面的研究。　　第一，为了确保反应堆核热耦合控制算法设计完成后具备较高的安全性，以传统的频域分析方法为基础建立了一套包含“面向控制的建模—频域分析—控制器设计”的核热耦合控制系统设计流程。使用该流程设计的控制系统性能可以被定量分析，安全裕量可以被精确计算，并且设计过程更为简洁明了。　　第二，提出了一种基于系统状态灰度图像的反应堆核热耦合系统故障诊断方法。该方法创新地将图像辨识技术引入反应堆在线诊断中，通过特殊设计的非线性映射以及观测窗构造能够反映反应堆系统当前状态的状态灰度图像，并利用多分辨率直方图高阶矩构造状态灰度图像特征向量用以状态图像的辨识。在实验分析的基础上，提出了用于表征图像诊断技术的准确度以及响应速度的性能指标，在故障发生时及时向控制系统提供必要的故障信息以帮助控制系统做出应对动作。　　第三，提出了交互式仿真的概念，建立了包含实时仿真系统与信号转换阵列的交互式仿真与验证平台。该平台可以实现真实仪控系统与实时仿真模型的耦合运行，可提高反应堆核热耦合控制算法验证的可信度与效率，并解决在控制算法植入仪控系统硬件后实现全范围闭环测试的问题。　　综上所述，本文中所开展的三个关键技术的研究工作能够在各种正常工况与故障工况下提高反应堆核热系统的安全性，对反应堆运行安全起到积极作用。由于各类反应堆在系统建模与分析方法上具有相似性，因此相关的方法理论有广泛的应用于各类反应堆设计过程中的潜力。