提高火电机组的控制系统性能和运行效率不仅有利于缓解日益趋紧的能源资源约束,还有利于提高火电机组随负荷大范围变动的调峰调频性能。然而比例-积分-微分控制器（Proportion Integration Differentiation,PID）的控制性能有限且采用先进控制策略替代PID还需时日,因此亟待提高以PID为主的控制系统的控制性能。而控制系统的研究基础是精准的对象模型,并且当前火电机组积累了大量运行数据,这给基于历史运行数据的闭环辨识提供了数据基础。论文针对火电机组热工对象,开展了闭环辨识建模和控制优化研究,主要内容包括:1.为得到准确的热工对象闭环辨识模型,提出一种采用历史运行数据,集成辨识输入变量选择、模型阶次判定和无偏参数估计的闭环辨识流程。其中,辨识输入变量选择采用了方差膨胀因子法和偏最小二乘回归的变量投影分析法,参数辨识采用渐近辨识法。以除氧器水位系统为例,将辨识模型与现场实际控制策略相结合,搭建闭环仿真平台并验证了上述辨识流程的可靠性和准确性。2.为保证用于闭环辨识的历史运行数据的辨识结果较佳,提出了一种基于特征分类机器学习的辨识数据优选方法。首先,提出一种基于历史运行数据的数据特征构造规则,对历史运行数据进行降维,同时能较好的表征历史运行数据的动态信息,并将闭环辨识模型的输出拟合度作为判断历史运行数据是否适合闭环辨识的阈值来划分数据标签,从而构造样本集合。其次,采用随机森林和极限森林算法建立闭环辨识数据分类规则模型,用于优选历史数据。仿真结果表明,上述辨识数据优选方法的分类预测准确性较高,能为基于历史数据的闭环辨识提供数据支持。3.为提高PID控制器的控制性能,提出一种结合热工对象实际运行数据、考虑输出偏差、输入总变差、系统最大灵敏度和闭环稳定性的PID参数优化方法。仿真结果表明优化参数后的控制器性能得到较大提升,且应用到实际项目中,验证了其有效性。4.为提高以PID为主要控制手段的火电机组控制性能,首先提出一种不限于最小相位对象的线性二次型最优动态前馈控制器;然后提出一种基于广义扩张状态观测器的扰动补偿PID反馈控制策略。采用线性二次型调节理论设计基于广义扩张状态观测器的扰动补偿控制器,使其与PID相结合。最后在除氧器水位控制系统进行仿真验证,仿真结果表明上述控制策略有效补偿了可测扰动和未知不确定性,大大提高了PID控制系统的控制性能,有利于提高火电机组的快速性、稳定性和经济性。