大型过程工业中单一的控制手段往往无法满足企业所提出的全部控制要求,实际中通常采用信息协调的分层结构控制系统加以实现,其执行流程可简述为上层实时优化(RTO)层通过全局优化生产目标获取理想工作点后将其传递至中层即动态约束控制层,该层通过求解多目标协调优化问题在保证可行性的基础上最大程度实现上层的设定目标,其输出结果作为以PID调节为主的底层基础控制层设定值,通过三层控制相结合的方式实现整体的控制目标。模型预测控制(MPC)因能够处理各类约束,可将多种控制要求以软约束及性能指标的形式综合考虑,得以提高控制过程中的动态性能,而其滚动优化加反馈校正的机制又提供了很强的鲁棒性和抗干扰性,是一种在过程工业领域中获得高度认可的动态控制算法。模型预测控制的这些优点非常符合分层结构控制系统设计中对于中层的控制要求,并能够较好解决传统控制手段处理约束和经济效益上的不足,因此非常符合实际工程需要。因此如何将分层结构控制系统与模型预测控制相结合,如何设计相应的控制算法使在实现控制要求的基础上尽可能优化生产过程中的经济效益,如何扩大所设计控制系统的适用范围成为本论文研究的重点。针对这些问题,本文从以下四个方面进行了系统的研究。本文首先设计可在分层结构控制系统的中层中应用的基于稳态目标计算(SSTC)的双层结构预测控制系统,其中上层进行包含可行性与经济优化两个阶段的稳态目标计算,下层使用模型预测控制实现上层的优化结果。其次,在对稳态目标计算研究基础上,首次提出一种动态轨迹计算(DTC)的控制策略,在所设计的双层结构预测控制系统中,上层两个阶段选取的优化变量从一维的稳态输入增量变为多维的输入增量序列,各类约束表示和经济性能指标中也相应从一维的稳态输出增量变为多维的输出增量序列,使下层模型预测控制的跟踪目标从单一的稳态目标值变为一系列的动态轨迹。再次,考虑增加控制对象的复杂性,之前的稳态目标计算与动态轨迹计算的算法描述针对的是多输入多输出的控制对象,在此工作基础上,加入可测扰动对控制效果的影响,拓展至多输入多扰动多输出的控制对象,扩大所研究的两类预测控制系统的适用性。最后,针对实际生产过程,更进一步地考虑控制过程中的动态特性,已设计的双层结构预测控制系统中在对系统存在的幅值以及与上层设定值相关的各类约束进行重要性程度划分时是离线进行的,但实际中由于工况以及生产目标的不断变化,想优先满足的约束及上层设定值可能会不断改变。提出时变多优先级约束设定的概念,在更复杂多变的工况下应用两类预测控制系统进行运行优化。本文中所有研究工作均在理论分析、算法推导的基础上,选取各类在化工炼油领域中重要的生产环节作为控制对象,应用所提出的两类双层结构预测控制系统,通过仿真验证了算法有效性。