水轮机调速系统平稳、高效的运行是水电站输出安全、高质量电力的重要保障。基于此，本文在深刻分析水轮机调速系统主要组成部分的基础上，搭建了水轮机调速系统的线性数学模型和非线性数学模型，凝练出水轮机调速系统所面临的控制策略设计和控制参数优化两大问题。结合模型预测控制、PID控制、模糊控制和粒子群优化算法对水轮机调速系统先进控制策略设计和控制参数优化进行了深入探索，本论文取得的主要成果如下：
　　(1)将水轮机调速系统划分为引水系统、水轮机、发电机和调速器四个机构，并根据水力学知识和相关物理定律建立了各部分的数学模型。根据不同研究要求，分别整合成水轮机调速系统的线性数学模型和非线性数学模型，为后续设计控制策略和优化控制参数奠定了基础。
　　(2)以水轮机调速系统的线性数学模型为研究对象，分析了其不同工况时系统变量的时域响应特点。对水轮机调速系统施加了广义预测控制，并通过仿真算例验证其有效性。通过对比在动态矩阵控制、基于状态空间模型的预测控制下水轮机调速系统的动态性能，探讨了广义预测控制在水轮机调速系统控制问题中的优越性。
　　(3)采用整数阶PID控制和分数阶PID控制作用于水轮机调速系统，并对比了两种控制方法的优劣。进一步，提出了PID预测控制策略，结果表明其具有可行性。最后，利用粒子群优化算法对分数阶PID控制和PID预测控制的控制参数进行了优化。
　　(4)针对传统控制策略对水轮机调速系统复杂非线性数学模型适应性不强的特点，引入模糊控制，提出了模糊PID控制策略。进而，鉴于T?S模糊数学模型对非线性数学模型描述能力强，提出了基于一型T?S模糊数学模型的预测控制。并结合粒子群优化算法，将经过参数优化的二型T?S模糊数学模型接入预测控制中，结果证明了该策略的可行性。