水电作为第一大清洁能源,提供了全世界五分之一的电力能源,在改善电网系统调峰调频,维护电网频率电压稳定以及平衡电网负荷需求有重要作用。水力发电机组作为水电站核心设备,是一集水力、机械、电气为一体的复杂非线性系统,其运行状态直接关系到水电站乃至电力系统安全、高效、稳定运行。针对水轮机调节系统复杂非线性特性,其外部环境扰动多样性及其内部动力学特性不确定性等因素影响,传统线性PID控制因忽略水轮机调节系统非线性本质,难以满足其高控制要求,获得令人满意的控制效果。预测控制具有对模型精度要求低、包容性强,对线性和非线性系统都有良好适用性等优点,解决了传统线性PID控制难以解决的非线性控制问题。为此,我们将模型预测控制理论引入非线性水轮机调节系统控制,设计水轮机调节系统预测控制器,并通过离散李雅普诺夫(Lyapunov)函数证明系统稳定性,利用模型预测、滚动优化和反馈校正实现了对非线性水轮机调节系统的高效控制。此外,我们详细讨论了控制系统中不确定性系统变量对系统控制性能的影响;进一步,我们系统分析了控制系统在扰动、模型失配等非正常运行情形下控制性能,验证水轮机调节系统模型预测控制器具有良好鲁棒性。最后,与传统PID控制对比,突出设计控制器巨大的控制性能优越性。针对已提出的非线性水轮机调节系统,我们提出一种基于Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型的非线性模型预测控制方法。首先,采用T-S模糊模型建模方法离线建立离散高精度水轮机调节系统非线性模糊模型,且给出具体模糊模型系统参数;进一步,基于建立的水轮机调节系统非线性模糊模型进行在线模型预测控制,从而实现水轮机调节系统非线性模糊模型预测控制,并利用李雅普诺夫稳定性理论分析了非线性水轮机调节系统模糊模型预测控制系统稳定性。此外,针对建立的水轮机调节系统T-S模糊模型,我们设计了非线性模糊PID控制器。最后,非线性模糊模型预测控制器与非线性模糊PID控制器以及模型预测控制器对比分析,突出非线性模糊模型预测控制器优良控制效果。针对模型预测控制在线计算量大、理论算法复杂、实时性欠佳等制约,我们尝试将水轮机调节系统非线性模糊建模与预测函数控制相结合,设计非线性水轮机调节系统模糊预测函数控制器;为了验证所设计控制器鲁棒性,我们探究了水轮机调节系统在模型失配和无模型失配条件下,系统存在扰动和响应约束条件下的控制性能,结果表明非线性模糊预测函数控制器具有良好鲁棒性;最后,非线性模糊预测函数控制方法与PID控制方法对比分析,充分说明非线性模糊预测函数控制方法在水轮机调节系统中控制性能更优越。基于设计的预测控制器,从水轮机调节系统过渡过程品质(超调量、过渡时间、振荡次数、衰减比等)及计算机性能要求等方面,探究最优水轮机调节系统预测控制方法理论。