模型预测控制是目前应用得最广泛也最为成功的一种先进控制策略,具有控制效果好、抗干扰性强、鲁棒性强等优点。预测函数控制为第三代模型预测控制,它在保持传统模型预测控制基本特征的同时,通过对控制输入结构化,把控制量看作是若干事先选定的基函数的线性组合,使控制输入更具规律性,同时能有效降低算法的在线计算量。本文在理论和应用上对预测函数控制进行了研究,主要包括:(1)综述了模型预测控制与预测函数控制的发展、研究现状及应用,并分别阐述了它们的基本原理。(2)介绍了基于一阶加纯滞后和二阶环节模型的单变量预测函数控制算法;推导了基于CARMA模型的单值预测函数控制算法,该算法可简化优化过程的求解和减少算法的在线计算量;基于单值预测函数控制的内模结构分析了其闭环特性。同时给出了预测函数控制各参数的选取原则。最后通过仿真对比了预测函数控制算法与PID的控制效果。(3)针对多变量预测控制算法在预测时域和系统维数增加时在线计算量急剧增大,从而导致算法的实时性下降的问题,提出了一种基于CARMA模型的多变量预测函数控制算法。该算法通过对基函数的简化减少了优化变量的维数,在求解模型输出预测值时,推导了一种可以分离优化变量系数的递推算法,不仅避免了Diophantine方程的求解,减少了控制算法的在线计算量,而且也为随后的优化过程提供了方便。同时给出了常见约束的简化处理方法。基于内模控制原理分析了多变量预测函数控制算法的闭环特性,以及讨论了多变量控制系统自由度的问题。最后通过仿真验证和对比了该多变量预测函数控制算法的控制效果。(4)针对目前某焦化加热炉控制存在的问题,设计了包括循环油出口温度、分馏塔液位、加热炉炉膛负压和烟气氧含量四个控制回路在内的先进控制方案,并开发了其先进控制软件。该软件实现了各个回路的预测函数控制,还为用户提供了良好的操作界面。同时软件具有较强的容错能力以及各种可能的误操作保护能力。软件也具有很强的通用性,通过很少的修改就能够进一步推广其它系统的控制。最后总结了全文内容,并提出了进一步研究的方向。