本论文对一个两塔七步用于分离氮气甲烷的VPSA工艺流程的模型预测控制器的设计进行了系统的研究。首先选取并建立了PSA工艺系统的数学模型库,用于对真实的VPSA工艺流程进行优化控制等方面的模拟仿真的研究。然后使用实验室的VPSA装置,搭建了一个与模拟相同的两塔七步VPSA流程,将实验装置与模拟计算流程均运行至循环稳态,并改变原料气进料流量和置换气的流量,对比不同工况下模拟与实验的偏差,验证模型的准确性。从而利用模拟计算的方便快速的特性,对VPSA系统模型预测控制器的设计进行了系统的研究与讨论。将VPSA工艺流程优化至最优运行工况,并引入扰动。通过分析扰动对最优工况实际运行的影响,明确了控制器的干预的必要性。使用两种方法对VPSA这一被控对象设计了模型预测控制器,第一种方法为工业过程中常用的方法,使用模型辨识得到预测模型;第二种方法为本文结合VPSA的实际情况提出的新方法,通过简化其机理模型得到预测模型。构建了三种扰动的情景,测试了控制器的性能,对其控制过程的反应速度和稳定性等性能做出了系统的分析和评价,验证了本文所提出的模型预测控制器设计方法在理论上的可行性,也对其工业实际控制器的设计提供了一个理论的指导。