预测控制在处理复杂系统优化控制问题时表现出显著的能力。但是,随着过程工业规模的不断扩大,单一的预测控制算法往往难以满足复杂被控系统的种种要求,因此目前工业过程中通常使用以模型预测控制为核心的分层递阶控制结构,它将复杂的控制任务分层次逐步解决,各个层次分工明确,控制结构清晰。本文借鉴分层递阶控制的思想,提出一种基于双层结构的机械臂运动模型预测控制算法,主要内容可以分为以下几个部分:1)提出了一种针对机械臂运动控制的双层结构的模型预测控制方法。整个控制结构由规划层和跟踪层组成。规划层的主要功能是针对特定的控制目标和约束条件,为下层跟踪控制器设定一条最优的参考轨迹,跟踪层主要是计算最优控制力矩使得机械臂精确跟踪参考轨迹。本章介绍了如何创建机械臂动力学方程,对其进行线性化和离散化处理得到机械臂的状态空间方程,并以此作为预测模型设计了对应于规划层和跟踪层的约束预测规划器和跟踪控制器。2)将双层控制结构应用于柔性机械臂的振动抑制中。创建了柔性机械臂的动力学方程,通过仿真对其进行运动分析,并进一步确定了机械臂柔性形变和旋转运动之间的耦合关系。根据此耦合关系,在约束预测规划器的设计中增加特定的功能,可更好地实现振动抑制。在MATLAB环境下搭建仿真平台,验证了算法的有效性。3)将双层控制结构应用于六自由度机械臂的运动控制。针对特定的控制对象PUMA560,设计了双层结构的模型预测控制方法,使机械臂可以在满足动力学约束的条件下,快速稳定地运行到目标位置。针对机械臂输出端存在扰动的情况,本文在双层结构的基础上引入了前馈控制,通过对扰动参数进行辨识,预估扰动对预测模型的影响,并在预测控制器的设计过程中加以补偿,达到抑制扰动的目的。