“德国工业4.0”、“中国制造2025”等国内外智能制造战略的相继提出,使得全球工业面临着日益激烈的竞争。如何在满足日益严峻的环境保护和生产安全要求下,提高产品质量、降低生产成本,是企业发展必须面对和解决的问题。集成过程控制、工厂运营和业务系统的“智能工厂”在这样的背景下诞生,其首要目标是最优地利用工厂资产,同时实现以接近零事故和持续的环保、安全生产。在过程控制中,双层结构预测控制被公认为是复杂过程控制层级架构下的独立一层,能够有效实现工业过程中安全、经济与控制目标的优化问题。其问世以来便引起越来越多的关注,并成为应用最为广泛的一种高级过程控制方法。目前相关模型预测控制理论较为成熟,然而在实际应用中,包含稳态目标计算的双层结构预测控制由于在线计算量大、实施要求高、周期长以及维护困难等,严重限制了其在快速、复杂过程的进一步推广和应用。因此,开展有关双层结构预测控制在时间（快速算法）、功能（操作指导）等方面的研究,不仅可大大拓展双层结构预测控制的应用领域,满足当前工业发展对优化控制的需要,而且对预测控制理论的完善和与实际应用更紧密地结合具有重要意义,对我国工业生产过程实现节能、降耗、减排将具有一定的推动作用。本文的研究内容以应用为导向,旨在缩小双层结构预测控制理论与实际应用的差距,提高双层结构预测控制的实时性、科学性和易用性,借鉴现代优化理论、约束反馈控制理论的新进展,提出解决相关问题的新思路和新方法,并结合典型工业应用案例进行验证。本文研究的内容主要包括以下几个方面:（1）.针对无法确定经济自优化稳态目标计算中操作变量代价系数问题,提出一种基于被控变量和操纵变量多优先级的稳态目标计算方法,该方法将操作变量分为代价操作变量和最小移动操作变量,并给出代价优先级概念以及操作变量优先级的计算方法。在可行域存在时,基于操作变量优先级逐步求解稳态目标。当可行域为空时,首先通过被控变量多优先级对约束条件放松得到可行域,然后再进行基于操作变量优先级的稳态目标计算。该方法在参数上设置简单,适于工业过程的实际应用。最后通过仿真验证了该方法的实用性。（2）.针对双层结构预测控制计算复杂度高的问题,研究一种基于离线查表在线优化的双层结构预测控制方法,旨在促进双层结构预测控制在可编程逻辑控制器或单板机上的应用。在稳态目标计算层,以上一时刻的稳态输入变量、稳态输出变量、稳态误差修正量为自变量,离线优化求解当前时刻的稳态输入和稳态输出,并建立对应的查询表,在线计算通过当前系统状态以查表方式得到稳态目标;动态优化层,采用无约束预测控制跟踪上层的稳态目标。对于在线查表不可行的情况,采用多参数线性规划思想计算最优稳态目标。通过对该方法的复杂度、灵敏度、稳定性、鲁棒性分析以及仿真验证了该方法的有效性。（3）.针对工业预测控制实施和维护过程中模型辨识/再辨识实施周期长的问题,提出一种基于区间控制的半自适应双层结构预测控制方法。该方法采用区间预测控制实现开环测试和闭环控制的统一,以正交四值激励信号作为测试输入,采用自适应幅值和效益平衡系数,极大化信噪比,提高多变量模型辨识/再辨识效率的同时,确保生产安全、产品质量和经济效益。该方法属于在线开环测试,解决了辨识所需的充分激励信号与系统平稳运行的矛盾,以及测试信号与不可测噪声的相关性问题。另外,针对辨识中多变量模型结构设置的主观性问题,提出一种弱耦合模型结构的设计方法,该设计方法以模型参数在确定的显著水平下的不同置信区间尺度标定模型质量,通过对各子模型质量评判,将不确定或易造成不稳定的子模型从控制器模型结构中移除或作为前馈,通过渐进地辨识过程逐步完善模型质量。（4）.针对铝熔炼过程的高能耗、高污染的问题,结合上述的研究内容,提出一种综合考虑数值模拟和优化控制的面向能效的双层结构预测控制方法。在数值模拟方面,为降低计算复杂度,采用离线流程模拟分析熔炼炉的节能空间和节能方式,得到最优的操作条件。在优化控制方面,针对被控变量不同重要性,在稳态目标计算层采用优先级策略,实现经济效益最优化;针对铝合金熔炼过程耦合严重,对噪声和模型失配敏感,在动态优化控制层采用弱耦合模型控制器,提高系统的鲁棒性,同时有利于控制器的参数调节。该方法在天津某公司的F1铝合金熔炼炉成功投运,表征熔炼效率和能耗的关键变量均满足预期目标,有效地提高了燃烧效率,降低了生产能耗。