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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，很难仅仅通过日常的运行操作摸清控制动作对管道影响程度的规律。为了更好地解决系统实际运行过程中遇到的问题，真正实现管道系统的安全稳定运行，本文建立了较为准确的输油管道物理模型，基于反问题分析方法研究了输油管道参数及管道流动参数。在此基础上建立了反问题最优控制模型，确定了输油管道系统的最优控制方案，为长距离输油管道的优化控制提供了技术创新的策略，具有较大的理论意义和应用价值。
本文建立了频域内输油管道的传递函数方程及时域动态控制方程，为输油管道的仿真控制研究奠定了理论基础；输油管道可控元件-调节阀实际工作特性较为复杂，通过仿真程序详细分析了其在输油管道运行过程中的动态特性，能够有效地提高最优控制系统的控制品质。
以SCADA系统实时数据为基础，基于反问题分析方法，应用Levenberg-Marquardt方法估计了输油管道沿线摩阻系数；针对输油管道沿线测量点较少和基本无流量测量点的特点，应用反问题分析方法，以状态空间形式描述了输油管道不稳定流动控制模型。采用扩展Kalman滤波算法并结合虚拟噪声补偿技术，构造了自适应Kalman滤波器对输油管道进行状态估计，为输油管道最优控制研究提供了较为可靠的流动状态参数变量值。
简单管道作为长输管道的一部分，其最优控制研究也非常重要。本文对简单管道系统进行了整体可控性分析，结合压力波动原理分析了管道过渡过程中的控制及保护措施，提出了采用反问题分析方法求解输油管道最优控制问题；建立了简单管道反问题最优控制模型，采用最优化结合特征线方法求解该模型，得到了实际管道调节阀的主动调节规律，完善了长输管道最优控制系统。
应用反问题分析方法研究输油干线密闭管道最优控制，分析了单变量密闭管道最优控制问题，建立了单变量调节的动态规划数学模型，应用离散微分动态规划法(DDDP)进行求解；建立了二层递阶规划数学模型，将其进行协调分解，针对整个管道系统对阀门的调节规律、调速泵的调节规律及各个泵站的调节顺序进行寻优求解，为确定输油干线管道最优控制方案奠定了理论基础。
以前述内容为基础，编制了输油管道最优控制仿真程序。以仪征-长岭输油管道为背景，针对其不同的过渡过程工况进行了最优控制方案分析，确定了输油管道输量变化及中间站停电等若干过渡过程的最优控制方案。根据确定的控制方案对输油管道的若干过渡过程进行主动控制，为输油管道运行控制提供了很好的理论基础与技术支持。