在实际的化工过程中,过程的工艺设计和控制方案设计一般采用分步序贯设计方法来实现,即首先根据成本最优准则,设计获得基于稳态过程模型的最佳过程工艺参数,再根据稳态工艺条件设计控制系统的被控变量及操作变量以及相应的控制算法。这种设计方法有利于降低计算难度、减少计算量,但是却割裂了工艺设计与控制器设计之间存在的内在联系。由于采用序贯设计法进行工艺设计时所预留的弹性区间没有一个很好的衡量标准,因此,对于非线性较强的过程,基于稳态优化获得的工艺参数与后续的控制器设计不能很好地匹配,有时甚至会导致过程的控制质量低下。考虑到序贯设计法的不足,逐渐将目光转移到了工艺与控制的集成设计领域。相关研究表明,在工艺设计的同时考虑过程控制器的设计能获得较优甚至全局最优的经济性能和动态性能。本文以化工过程中常见的连续搅拌釜式反应器(CSTR)作为研究对象,开展过程工艺与控制系统集成设计方法研究,主要工作如下:(1)通过查阅大量有关过程工艺与控制系统集成设计方法研究的国内外文献,对过程工艺与控制系统集成设计问题的研究框架、集成设计框架中扰动和不确定性的处理方法以及集成设计问题的求解方法等进行了一个总结与分析;并结合研究对象,对描述非线性过程的不确定性鲁棒模型的相关理论进行了综述。(2)研究了基于鲁棒模型的过程工艺与控制系统集成优化设计方法,该方法的核心思想是将闭环过程的非线性行为辨识成不确定性状态空间模型,然后基于该鲁棒模型利用二次李雅普诺夫函数(QLF)来保证闭环过程的渐近稳定性,同时也可以利用线性矩阵不等式(LMI)来获得该闭环过程在外部扰动情况下过程变量的最坏输出情况。最后将整个集成设计问题由动态优化问题转变成一个带约束的非线性规划问题。将该集成设计方法用于CSTR反应器工艺和控制系统设计,研究结果表明,与一般的基于动态优化的过程工艺与控制系统集成设计方法相比,其计算难度大大降低,能够获得经济性能与动态性能更优的化工过程。(3)针对工业过程中广泛采用先进控制/常规控制分层递阶控制结构实际情况,即在底层采用常规控制(PID)快速抑制进入系统的干扰,上层采用先进控制(APC)获得优良的跟踪性和鲁棒性。在基于鲁棒模型的过程工艺与控制系统集成设计方法研究基础上,提出了一种基于先进控制/常规控制的分层递阶控制策略的过程工艺与控制系统集成设计方法。通过在集成设计框架中引入LQR-PI分层控制策略来提高过程的动态性能,从而减小由于预设特定扰动形式及利用鲁棒模型求解过程输出最坏情况时给整个设计结果带来的保守性。首先,将被控对象和常规PI控制器构成广义对象,并将其作为先进控制层的被控对象,构造一种LQR-PI分层递阶控制结构。然后在存在外部时变扰动及参数不确定条件下,将LQR先进控制器与广义对象组成的闭环过程辨识成带有不确定性参数的鲁棒模型。最终通过求解一个非线性规划问题得到集成设计的最优工艺设计与控制器参数,该方法同样应用于CSTR过程,结果证明了方法的有效性。