以核能为动力源的舰船具有功率大、续航力强和运行特性稳定等优点,研究并发展大型船用核动力系统对我国的国防和国民经济发展极具战略意义。但目前对大型船用核动力装置建模研究及动态特性认知仍然较少,对控制系统的研究则主要停留在局部控制和基于传统PID控制器的简单协调问题上。因此本文以大型船用核动力装置中的单堆双机核动力系统为研究对象,开展建模仿真、特性模拟和基于先进控制算法的控制系统设计等研究工作。本文首先运用模块化建模思想,基于质量守恒、能量守恒和动量守恒定律,采用集总参数法建立了单堆双机核动力装置中压水反应堆堆芯、稳压器、蒸汽发生器和饱和蒸汽轮机的机理模型,对于机理模型中无法确定的参数,从现有的大型核动力船仿真机中获取。并基于MATLAB/Simulink平台完成了单堆双机核动力装置的机理模型搭建,参数调试和模型合理性验证。然后通过主要调节量的阶跃扰动仿真实验,对单堆双机核动力装置各个设备及整个系统的动态特性进行了分析,仿真结果表明系统整体模型运行稳定,各设备热惯性时间表达合理。在分析反应堆功率、稳压器压力和水位、蒸汽发生器水位三个局部控制回路特性基础上,论文提出了相应的控制策略,设计出性能良好的控制器:（1）选取漂移一回路平均温度的折衷控制方案,采用经典PID算法设计出反应堆功率控制器;（2）针对稳压器多参数耦合和惯性等特性,采用多变量MPC算法设计出船用核动力装置稳压器压力和水位控制器;（3）针对蒸汽发生器的非线性特性和“虚假水位”现象,考虑到主蒸汽流量波动对水位的影响,采用前馈预测控制算法设计出蒸汽发生器水位控制器。为解决单堆双机核动力系统的多变量耦合控制问题,论文建立了该系统的3*3多变量被控系统结构,然后采用逆奈奎斯特阵列法实现了各控制回路的解耦,并基于PI方法设计了各回路的控制器,仿真结果表明采用INA方法具有一定程度的解耦,控制效果改进一般;为此提出了基于多变量MPC方法的单堆双机核动力船协调控制策略,仿真结果表明,与传统PID控制器相比,本文提出的多变量MPC方法能够较好地解决回路间的耦合问题,并且可以更好地实现系统快速跟踪负荷的控制目标。