随着社会和经济的发展,一方面现代工业生产工艺越来越复杂,具有强非线性、参数时变和高维数特性的过程不断涌现；另一方面,为应对节能降耗和产品质量的需求,对生产过程控制的指标要求也越来越高。因此,传统的基于固定工作点线性化模型设计的单回路控制结构和算法,由于对非线性、强耦合的多变量系统的控制品质下降,越来越不能适应现实的挑战。然而,由于对象特性复杂造成建模困难、控制结构和参数整定不易适应全局非线性和回路间的耦合等原因,非线性强耦合的多变量系统的控制既有理论上的难度,也有工程实施上的难度。在热工系统中,很多典型过程(如球磨制粉、火力发电等)都属于这类非线性强耦合的多变量系统,并且这些过程的大工况范围运行特性使得对它们的控制进一步复杂。尽管近年来各种先进控制算法层不出穷,但由于缺乏有效的软硬件支持、控制器参数和实际对象物理意义缺乏明确关联等原因,先进控制算法在热工过程中应用有限,实际生产中底层回路控制仍然普遍采用PID控制。因此,研究基于PID算法的实用有效的多变量系统控制策略,满足对热工过程越来越高的可靠和经济运行的要求,具有十分重要的意义。本文针对典型热工过程,以多模型方法处理工况非线性、以PID控制结构设计和参数整定处理回路耦合,在提出的过程控制-监督优化层级控制框架下,研究系统化的非线性多变量控制系统的设计方法,为复杂工业过程大范围运行控制提供一种有效且易于工业应用的解决方案。主要研究内容及创新性工作包括：(1)对于非线性多变量系统的建模与辨识,研究了面向控制的建模方法,以及基于频域的局部MIMO模型辨识方法。以球磨制粉系统为例,完整地通过机理建模、参数辨识、以及经验分析和简化,建立钢球磨煤系统实用的面向控制的模型,为实际系统控制设计提供仿真测试平台。为获取多模型局部线性模型,利用阶跃测试方法,将闭环控制系统分解成多个单回路的开环系统,利用频域中极小-极大截止频率搜索算法求得各回路传递函数。面向控制的建模给出了从设计控制系统的目的出发进行简化建模的方法,基于频域的多变量闭环辨识提供了一种无需过多过程先验知识获取高精度非线性多变量系统局部模型的方法。(2)对于多模型局部控制结构选择,提出了一种简单有效的结构选择算法。首先将多变量PID控制系统总结为五种基本的控制结构：完全分散控制、完全集中控制、稀疏控制、完全解耦控制、稀疏解耦控制,分析了每种控制结构的特点。继而,通过从多变量系统的耦合特性分析着手,引入相对正则化增益矩阵及耦合指数的概念,建立了完整的基于耦合指数判据的控制结构选择一般方法框架；并且将该方法扩展应用到含积分特性的多变量系统、非方多变量系统。耦合指数直接利用过程传递函数计算得到,简单方便,易于工业应用。控制结构的确定为控制器的有效设计提供了基础和前提。仿真结果验证了控制结构选择算法的有效性。(3)对于多模型局部控制器设计,针对五种基本的PID控制结构,分别给出了详细的控制器设计和参数整定方法。首先,通过引入有效传递函数的概念,提出了一种系统化的完全分散、完全集中、稀疏控制器设计方法,该方法将系统等效成单个的回路进行设计控制器和整定参数,不必关心回路间的耦合作用。接着,对完全解耦和稀疏解耦控制结构,在所提出的基于功率谱的过程模型近似逆的求解的基础上,通过定义的解耦指数概念,解析设计解耦补偿阵。该解耦补偿阵兼顾了期望的闭环性能,计算简单,易于理解,也易于工业现场实施。另外,针对含积分MIMO系统,提出了分离积分环节的处理方法；针对过程中存在大时滞环节时,系统响应慢,控制品质恶化,提出了一种基于DMC的预测PID控制方案,该方法能有效补偿时滞,兼有PID控制和预测控制两者的优点。大量仿真结果表明,提出的系统化设计方法简单有效。(4)对于多模型控制方法框架中的监督优化层设计,以典型热工过程为例提出了完整的解决方案。结合火力发电机组和球磨制粉系统的工作特性,针对非线性多变量多模型控制中系统区域划分和局部模型切换的难点,分别提出实用有效的兼顾了系统的非线性区域分布特性的多模型区域划分方案。局部模型切换基于模糊切换控制策略确定各局部控制器输出的模糊加权值,实现多模型的平稳无扰切换控制。考虑到实际过程工况变化特性,始终监测控制性能,如有必要,增加额外的局部控制器和局部模型。设定点优化方面,针对球磨制粉系统提出了一种基于稳态增益的优化初值方法和动态寻优算法。结构体系中,过程控制层实现回路控制的设定点跟踪和抗扰,监督控制层实施控制器调度和设定点优化,分层协作达到控制目标。火力发电机组和球磨制粉系统的仿真研究验证了这种层级结构的有效性。(5)成功将所提出的多模型控制框架应用于钢球磨煤制粉系统控制工程。通过在制粉系统面向控制的模型上的仿真测试、不断改进和完善控制策略的基础上,根据热电厂球磨系统工艺特点和控制要求,进行了硬件配置、控制方案设计、软件设计和工程实施。开发了功能完整的优化设定软件、多模型切换控制软件、过程监控软件、PLC过程控制软件。工业现场应用效果表明,所设计的球磨制粉优化控制系统,不仅能改善系统动态响应品质、提高系统适应工况变化的能力,得到满意的控制效果,而且与现有系统相比,降低了制粉单耗,实现了节能降耗。最后对全文进行了总结,并指出了若干有待于进一步研究的问题。