目前我国污水处理厂优化运行与节能降耗是运行管理中面临的重要问题，自动控制系统的合理开发与应用是保障污水处理厂正常高效运行的有效手段。但污水处理系统是一个复杂多变的过程，污水处理厂控制系统的设计与运行需要从全厂的角度统筹考虑并通过科学可靠的方法对其控制运行效果进行综合评价，以不断改进控制策略的实施。本论文设计开发了全厂控制策略与系统，并建立控制系统的综合性能评价体系。得到如下研究结论：（1）本研究从污水处理厂干扰特征和能耗物耗特性两方面，对南北两座污水厂的工艺运行进行综合分析。进水负荷作为外部干扰因素，表现出显著的季节特征和日变化周期性，其中进水流量对负荷变化的影响更大。生化处理过程作为关键能耗单元，约占全厂能耗的60%，主要能耗设备为鼓风机；预处理过程约占全厂能耗的30%，主要能耗设备为提升泵；关键物耗单元依次为化学除磷过程、碳源投加过程以及污泥处理过程。（2）从全厂的角度出发，提出了基于进水负荷动态变化的全厂控制策略，其核心单元包括提升泵的时序前馈-串级反馈控制、曝气过程的前馈补偿-串级反馈控制策略和化学除磷加药的前馈补偿-反馈控制策略；并指导了某污水处理厂控制系统的设计和工程实施。（3）根据系统运行过程中出现的问题，对影响控制系统性能的关键设备进行了研究，提出了改善其控制性能的建议措施。在仪表信号预处理的基础上，建立了故障预警系统，并提出了控制系统运行过程中出现问题的解决措施。（4）本研究从工艺运行与自控系统相结合的角度，建立了一套具有工程应用价值的污水处理厂自控系统综合性能评价体系。该体系分为达标运行、节能降耗和控制性能三个方面，设置了6个二级指标和12个三级指标，能够从全厂、单元和设备等不同层次对污水厂应用自控系统的效果进行评价。该体系应用于实际污水厂，不但能从整体上给出性能评价，还能有效的发现问题环节，为改善污水处理厂的控制运行提供有力支持。