为进一步保障水轮机组各工况下频率控制和负荷控制的快速性、精确性和稳定性，提出一种改进的美洲狮算法(CPL-PO)对非线性水轮机调节系统模型进行参数辨识。首先，搭建水轮机调节系统简化模型，得到调速器和电液随动系统、压力引水系统和水轮机转矩与发电机系统三个独立子系统；然后，将各子系统分别作为辨识对象，在引入5%空载频率扰动工况下，采用CPL-PO算法完成参数优化辨识；最后，组合各子系统并代入辨识参数搭建完整非线性水轮机调节系统仿真模型进行仿真试验，其中同步完成遗传算法(GA)、标准美洲狮算法(PO)多种辨识算法的参数辨识，并用各算法的辨识结果与实际系统参数和实际系统响应曲线进行对比分析。辨识参数与仿真结果表明，CPL-PO算法不仅适用于非线性水轮机调节系统模型的参数辨识，且辨识精度明显更高、收敛速度更快。