固体氧化物燃料电池(SOFC)技术由于其清洁高效等优势被誉为21世纪最具前景的绿色发电技术之一。经过数十年发展,SOFC技术逐渐走向成熟,但高成本、短寿命仍然是阻碍着其大规模商业化应用的重要瓶颈。在长期运行中,系统发生性能衰减并演变为故障从而导致动静态特征发生变化,使得已有系统控制设计面临参数失配、控制失效等问题。本文以1kW水蒸气外重整SOFC独立发电系统作为研究对象,深入开展SOFC系统性能衰减与故障演变机制研究,在领域内首次建立SOFC多模态模型并构建完整的健康度评价体系,最后基于该体系实现SOFC系统控制优化。本文对SOFC系统性能衰减与故障演变机制进行了深入分析,提取了常见衰减与故障类型,利用SOFC系统长期测试数据对性能衰减因素与故障演变过程进行了物理等价再现,基于Stateflow平台建立了包含多种性能衰减与故障演变模态的SOFC系统机理模型并进行实验验证。定义了性能衰减条件下SOFC系统的最优操作点(OOP),设计了基于遗传-粒子群优化算法的快速搜索方法获取不同衰减情形下的OOP,分析其漂移特性为后续控制优化提供数学基础,并针对不同故障情形分析了不同故障参数下系统的动静态响应,为后续早期故障辨识与处理提供重要参考。基于前面的优化分析选择并定义了关键参数和函数形成SOFC系统健康度评价体系。针对已有的TS模糊模型-带约束广义预测控制架构,根据健康度评价参数进行控制参数优化并对比优化前后的控制器,发现改进后的控制器能够在系统性能衰减条件下保持多操作约束安全与系统效率最优,避免了因控制参数失配带来的效率降低与故障发生。此外,通过系统健康度对重整器、电堆健康度的函数拟合能够有效辨识常见的五大类故障情形,最后总结了早期故障预处理与后处理的基本方法。本文构建了SOFC系统基于性能衰减与故障演变机制的建模方法与分析体系,揭示了SOFC系统性能衰退变化的本质特性,优化了系统热电耦合控制器设计,为SOFC系统的高效率、长寿命运行提供了有力的理论支撑。