模型预测控制是一类基于模型的计算机控制算法的总称，在工业应用中多以双层结构出现，即双层结构预测控制，上层为稳态目标计算层或稳态优化层，下层为动态控制层。双层结构预测控制相比传统预测控制能更大程度挖掘出过程潜在经济效益，同时保证系统更加平稳、安全运行；然而双层结构的引入也给预测控制带来新的难题：首先，对于稳态过程的稳态目标计算层，稳态目标计算作为一门优化技术，其可行性判定与优化不可行处理方法是首要考虑的问题；其次，对于积分过程，双层结构预测控制处理一阶积分对象所产生的稳态模型不存在问题使得对这类对象进行优化极为困难；再次，积分对象涉及过程安全性问题，对积分优化问题可行性的不合理处理将给过程带来安全隐患；最后，传统预测控制处理非方系统时存在解的相容性与唯一性问题，尽管引入稳态优化后的双层结构预测控制后能有效解决解的相容性问题，但是解的唯一性无法得到保障。针对上述问题，本文采用优先级方法处理稳态过程以及积分过程优化不可行问题，同时利用积分过程稳态点模型并引入积分稳定性条件有效地解决了积分过程稳态优化难题，最后从多变量控制系统控制输入与被控输出之间的因果关系入手，阐述了控制输入与被控输出稳态值的关系特征，找出非方系统的双层结构预测控制解决方案。完成的主要工作和取得的成果如下：1.利用优化问题的Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件进行动态矩阵控制(DMC)复杂度分析，由此得出了制约算法求解的主导因素为系统操作变量数以及控制器控制时域,且算法的时间复杂度与操作变量数和控制时域乘积的三次方成正比。将标准的二次规划算法应用于三个工业经典案例，仿真验证了上述结论。2.预测控制的稳态目标计算问题本质上属于一种局部的线性优化过程，因而可行性是首要解决的问题。本文使用两阶段方法来求解稳态目标计算问题，即首先获得稳态目标计算的可行域，而后在可行域内进行寻优。在可行性阶段，本文提出了加权和优先级两种策略来进行可行性判定与软约束调整以确保可行域的存在，其中优先级策略又进一步划分为升序和降序两种方案。研究表明，优先级策略更具工程实用价值。3.针对双层结构预测控制处理一阶积分过程时无法形成稳态优化模型的问题，提出了“临界稳态”的概念，给出了“临界稳态”状况下的“点”模型，以及“临界稳态”的成立条件(稳定性条件)，由此建立了积分过程的稳态优化数学模型，有效地解决了积分过程的稳态优化问题。仿真中，将所提出的积分型双层结构预测控制算法应用在一个多变量积分过程上。该优化控制系统一方面可以计算出系统的最优稳态输出目标，另一方面实现了对该目标的快速跟踪控制。4.多变量控制系统在结构形态上可以划分为三种类型：方系统、胖系统和瘦系统。从控制输入与被控输出稳态关系的因果性入手，将预测控制面对瘦系统可能出现的输出静差以及面对胖系统可能出现的控制输入稳态值不确定性分别归结为非齐次线性方程组的相容性与唯一性问题。通过非齐次方程组解的判定定理分析了多变量预测控制系统稳态解出现相容性和唯一性问题的原因，并由此给出了基于双层结构控制策略的解决方案。仿真结果验证了本文提出的双层结构预测控制算法的有效性，多变量预测控制系统稳态解既是相容的又是唯一的。