随着流程工业的发展,化工过程中越来越多地出现非方多变量系统和高维大系统。通常处理非方系统的方法为系统方化法,但是这种方法没有充分利用所有的可测变量信息并且忽略了部分系统耦合,无法满足控制要求。目前高维大系统一般采用完全分散控制策略或集中控制策略,但是高维大系统通常存在较为复杂的相互关联作用,完全分散控制策略常常控制效果欠佳,而集中控制策略又不易实现。针对这些问题,本文提出了一些新的控制结构设计方法。本文首先基于相对增益阵的概念引入非方相对增益阵并推广到频域,得到了平均频域非方相对增益阵。根据平均频域非方相对增益阵对非方系统进行了变量配对分析,提出了瘦系统的串级控制系统结构设计方法和胖系统的前馈-反馈控制结构设计方法。这种将所有的可测变量纳入控制结构的设计方法,提高了控制系统的性能。然后,针对过程大系统,提出了主要被控变量、次要被控变量、可调输入变量和非可调输入变量的概念,由此将系统分解为多个子系统,分别对各子系统进行变量配对分析,提出了一种可兼容单回路控制、串级控制、前馈控制的综合复杂控制结构设计方法,对配对到同一个输入变量的两个输出变量进行串级控制结构设计,配对到同一个输出变量的两个输入变量进行前馈-反馈控制结构设计。最后,对于高维大系统的块分散控制提供了两种控制结构设计方法。第一种方法是在块分散相对增益的性质中挑选出对系统闭环性能影响较大的若干结论,作为系统结构分解的筛选条件,并在所有可能的块分散控制结构中找出满足筛选条件的部分。在第二种方法中,提出了简易度和可控度的概念,并根据简易度和可控度给出一种灵活的大系统结构分解的综合评价准则,依据该准则提供了一种结构分解的优化方法,最终挑选出满足现场要求、最为合理的高维大系统的控制系统结构设计方案。