输油管道系统是一个非线性分布参数系统，其运行控制异常复杂，现有的PID控制很难满足日益提高的最优控制要求。为了真正实现管道系统的优化操作运行，为管道运营管理提供较为合理的控制手段和理论依据，本文基于反问题分析方法，建立了较为准确的输油管道物理模型，采用非线性自适应滤波技术对输油管道进行了状态估计研究，并以现代控制理论为基础，建立了输油管道非线性预测控制模型，确定了输油管道系统的最优控制规律，为输油管道的优化运行提供了技术创新的预测最优控制策略，具有长远的经济效益和广泛的应用前景。　　PID控制是目前输油管道自动控制的基础和核心，对于输油管道具有重要意义。本文在调节阀和管道动态特性分析基础上，结合瞬变流理论构建了数字式PID控制器，对输油管道PID控制过程进行了数值模拟，从而使得输油管道最优控制的实施能够借助传统PID控制实现，为最优控制的实现带来极大便利。　　自适应滤波理论和技术为输油管道状态估计提供了成熟的分析工具。本文根据瞬变流特征线方程建立了输油管道非线性状态空间模型，将卡尔曼滤波理论和输油管道非线性状态空间模型相结合，利用无轨迹变换技术，构造了非线性自适应无轨迹卡尔曼滤波器，避免了传统线性滤波器将非线性系统线性化处理引起的误差，并将其应用于输油管道状态估计。　　反问题本质上属于最优控制问题。因此以现代控制理论为基础，将自适应信号处理技术、预测控制理论与现代控制理论相结合，建立了基于现代控制理论和自适应信号处理技术的输油管道非线性预测控制模型，从而构建了输油管道系统的虚拟控制器，以非线性规划策略为基础，针对带有约束的输油管道非线性系统，基于反问题分析方法，采用一种改进信赖域的二次规划算法，并将这种改进算法应用于求解输油管道约束非线性预测控制中的优化问题，经过变量代换得到以控制变量增量为优化变量，只包含线性不等式约束的子规划问题，从而将非线性规划转化成一系列二次规划求解，降低了优化问题的规模。所构建的虚拟控制器可以在现有PID控制器基础上，对输油管道进行预测控制。