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预测控制的双层结构解决了预测控制设定点“由何而来”、“是否合理”的关键问题，实现了面向安全、经济与控制目标的设定点优化问题与面向设定点跟踪控制问题的分离，使得预测控制的层次变得清晰。随着对预测控制双层结构研究的深入，本文作者发现双层结构的理论贡献学术价值不仅仅停留在层次结构上或是在功能上，而更多地体现在其对多变量控制系统的内部稳态结构特性的揭示。 MPC是一类被广泛关注和得到成功应用的控制算法和技术，适用于许多复杂的对象特性，包括多变量耦合、控制和状态上存在约束限制、非线性、随机和混杂等。当在大型石油、化工装置上实施MPC技术时，经常会遇到数十个甚至上百个控制回路的设计、运行和维护问题，其中，这些回路设定值的计算给定和现场施加并不是一件简单的事，因为它们不仅与装置的效益、安全等紧密相关，而且也是上一层-实时优化(Real Time Optimization，RTO)的操作自由度。RTO使用严格的稳态机理模型，多变量控制系统的最优稳态工作点（设定点）是通过求解包含稳态机理模型在内的非线性优化问题得到的。在RTO的优化计算周期外，任意时间进入过程的扰动或操作人员的人工干预都可能改变过程的最优目标，所以需要根据过程本身的情况进行以经济性或者设定点跟踪为目的的局部快速优化，双层结构MPC技术提供了满足这些需求的系统解决方案。 目前支持MPC模型辨识的工具一般在给出最佳的模型（标称）外，也提供模型参数的可信区间，但这些统计信息在控制应用时常被忽视。在基于模型的各种控制算法设计中，遇到病态问题必须仔细应对。当多变量模型呈现病态特征时，MPC的稳定性和性能指标将显著下降。如何利用这些参数在其可信区间内取值的自由度，开展MPC建模与控制的联合系统设计还未被深入研究，本文将从多变量预测控制的稳态结构特性角度诠释该问题。当注意到从标称稳态增益矩阵+静态误差形成的稳态模型簇中，通过适当计算可以筛选出条件数较小的稳态模型时，形成了应对模型病态问题的新思路。基于这样的思想，即辨识建模和MPC控制设计联合进行，以降低模型病态性的负面影响，本文的工作表明这是一种灵活可行的方法。 结合具体系统特性和任务要求，探索建立能实现其控制和操作目标的近似或简明方法，直观上是推动严谨理论成果走向工程应用的最佳途径。本文基于预测控制的双层结构原理从多变量系统的输入输出稳态值出发，针对一类多变量相关且开环稳定的线性MPC系统，通过系统的设定值可以直接一步计算出系统控制输入的稳态增量，避免了传统预测控制需要花费大量时间运算矩阵和求解大规模数学规划问题。进一步地，将双层结构预测控制中的稳态优化求解算法分解为离线计算和在线查表两部分，离线制表存储和在线查表更新结合进行，数值寻优的时间开销非常小，可以胜任高速对象控制的实时性要求。 热力学计算显示分壁精馏塔比常规精馏塔具有降低三分之一能耗的潜力，但目前还无法成为化学工业的标准设计，内在的传质传热动力学行为认识不清晰、缺乏可靠的控制和操作技术支持等，都是限制分壁精馏塔大规模应用的主要因素。本文关于分壁精馏塔的多变量MPC系统设计方案、集成的控制和优化操作(MPC+RTO)策略、基于快速预测控制算法实现不同工艺目标的平稳切换等研究工作，都是支持这类新型高效分离设备实现最佳操作目标的最新成果。伴随工艺设备的不断完善，对推进分壁精馏塔的大规模工业应用有促进作用。 许多工业控制对象的模型可以用一阶或二阶时滞+纯滞后的传递函数来表达，通过模型中的三类参数即增益、时间常数、纯滞后的不同组合，可以表达的模型范围非常广泛。现场工程师依据这些模型参数值，就大致可推断出闭环控制可实现的最佳响应特性。特别是当给定了预期的闭环响应特性后，可以直接得到预测控制作用计算的解析表达式，在线计算无需迭代极为快捷。依据这样的快速预测控制算法，再借助快速发展的嵌入式微控制器软硬件技术，为具体被控对象量身定制最佳控制规律成为可能。这样的定制化控制设计在可靠性、运行维护等方面优势显著，代表了未来先进控制应用技术发展的重要方向。本文开发了一套支持设计、仿真验证、实施的一体化系统平台，在试验装置上成功实现了定制化控制目标。