在过程能量交换系统的运行过程中,由于系统存在多种操作约束条件和不确定因素,导致难以保证系统的持续节能优化。另外,设计的过程系统是基于给定的操作条件和生产要求进行的,以经济要求为目标的优化设计往往难以满足控制自由度要求,以控制性能为目标的优化控制又难以直接实施。为了保证整个系统在全周期的持续节能降耗,有必要兼顾其动态和稳态操作的要求。目前过程控制系统的研究设计方法普遍以提高控制性能为目标,而工艺设计大多基于给定操作条件进行。另一方面,过程能量交换系统普遍存在慢时变特性,即其操作条件、生产要求、过程参数例如结垢热阻和催化剂活性等随运行时间缓慢变化,为实现过程系统的长周期运行,一般留出一定的设计裕量,但不涉及裕量的在线调节与优化。因此,设计的过程系统难以直接控制,可控的过程系统也难以实现持续可控。换热网络是典型的过程能量交换系统,针对换热网络的综合与设计方法普遍应用于过程系统综合中。本文以换热网络为例研究过程能量系统的多尺度协调优化设计方法。其中兼顾针对全周期慢时变过程与稳态特性的时间尺度和针对工艺设计与控制系统设计的系统尺度,为实现过程系统全周期持续节能基于改进的超结构模型提出一种工艺与控制协调优化设计方法。本文分别从时间尺度和系统尺度分析了工艺设计与控制系统设计的相互影响,首先提出一种集成了控制系统和过程系统的换热网络超结构模型。综合考虑过程系统工艺设计对控制系统设计的影响,在全生命周期中,将控制系统设计和过程系统设计同步进行,针对此非凸的混合整数非线性规划问题（MINLP）采用广义Benders分解算法（GBD）对过程系统和控制系统进行优化设计。其次基于优化得出的过程系统采用状态可控性判据分析过程系统工艺结构对不同控制系统结构的可控性,从而得出一种兼顾时间尺度与系统尺度的协调优化设计方法。最后,以原油换热网络为例,应用提出的方法以全周期持续可控和累积费用最小为目标进行协调优化设计,并对结果进行了可控性分析,与文献结果相比提出的设计方法有效的降低了系统全周期累积费用且保证全周期持续可控。