可持续发展的要求增强了人类有效利用资源和保护环境的意识，而城市污水处理过程是水环境保护中的一项重要内容。本文以城市污水生化脱氮处理过程——前置反硝化工艺为对象，研究通过建模、控制和优化手段，提高了整个污水处理系统运行性能和实现污水处理厂节能、降耗的理论和方法。论文的工作是在国际水协会发布的典型工艺与污水处理厂实际运行环境相结合的基础上完成，内容涉及模型简化、控制回路设计与评价、A/O系统优化设定控制方法及应用研究、过程模拟以及活性污泥A/O工艺仿真平台的建立。　　 在模型简化方面，针对活性污泥污水处理系统多时间尺度、非线性、数学模型复杂以及不便于进行控制系统的设计和实施的问题。提出了一种新的奇异摄动法与灵敏度分析相结合模型简化方法，构造了包括主要状态变量的简化的奇异摄动模型，为控制系统的设计和实施奠定了基础。　　 在控制回路设计与评价方面，建立了完整的城市污水处理过程控制系统设计框架及主要过程。在此基础上，实现了溶解氧、硝酸盐和污泥浓度三个控制回路，通过这三个控制回路的设计、仿真和分析，评价了在不同条件下不同控制策略的控制效果。针对溶解氧过程的非线性与时变性，提出了溶解氧的一般模型非线性控制策略，溶解氧的非线性过程模型直接整合到控制器中，提高了控制精度。针对入水水质的不确定性以及常规的控制方法能耗过高的问题，提出了前馈-串级控制方法，消除瞬间入水氨氮浓度的大幅变化带来的不利影响，使溶解氧控制更加完善，仿真表明这对降低瞬时氨氮冲击和曝气能耗都有效果。　　 在A/O系统优化设定控制方法及应用研究方面，提出了一种以排水质量指标为约束条件，以能耗最小为目标的优化控制方案，并以简化模型为基础结合混合遗传算法进行寻优。在此基础上，结合污水处理厂的实际情况进行了优化设定控制方法的应用研究，通过实验验证了运行效果，达到了以满足出水水质要求的前提下使运行费用最小化的目标。　　 最后建立了活性污泥A/O工艺仿真平台，通过该仿真平台可以实现污水处理过程的动态模拟、控制策略的选择、工艺参数的修改以及数据的拟合与统计。仿真平台提供了完善的用户界面，便于用户的使用和操作，并可通过OPC for Matlab与实际过程连接，验证控制策略的实效性。借助于此仿真平台，有助于工艺设计与改进以及进行控制策略的开发与应用研究。并且建立了包括数据收集与处理、水质组分的转化、参数灵敏度分析与校准等内容的完整模拟方案，并对实际过程进行了模拟，为活性污泥数学模型在实际中的应用提供了重要的前提和基础。