双层结构预测控制解决了预测控制的设定值选取是否合理等关键性问题,并实现了面向系统稳定性、经济性和设定值优化问题与面向设定值跟踪问题相分离,使得优化与控制的层次变得清晰。然而,在实际工业大系统的应用中,预测控制的在线计算量较大,因为预测控制需要在线求解有约束的多变量优化控制问题,这在一定程度上限制了预测控制在大规模系统的应用推广,使得双层结构预测控制局限于小规模系统。在现有的国内外学术研究中,对双层结构预测控制的优化理论与动态控制技术的研究分析不够完善,使得其控制策略在工业应用中缺乏理论指导。本文以应用为导向,通过对稳态目标优化层和动态控制层内在关系的理论分析,发现动态控制层中控制输入量和控制时域长度是导致双层结构预测控制算法计算量过大、时间过长的关键因素,且计算复杂度正比于控制输入量与控制时域长度乘积的三次方。基于上述的研究分析,对该算法的优化与控制进行结构改造,提出一种集中优化分散控制的双层结构预测控制策略,在降低预测控制在大规模系统在线实施中的计算量同时,保持系统的全局优化性能。并分析了工业大系统双层结构策略在模型失配和不可测扰动情况下的经济性和鲁棒性。本文的主要工作和成果如下：1.针对传统预测控制人为设定期望值的缺陷,阐述了以稳态目标计算自动寻优方法结合动态控制进行设定值跟踪的线性规划形式的双层结构预测控制算法,并从控制结构角度上对算法进行描述,从而引出优化与控制内在关系的研究方向。2.针对在双层结构预测控制计算复杂度较高,在线求解时间较长的问题,通过对双层结构预测控制算法进行计算复杂度的理论与仿真分析,得出动态控制的求解速率是影响双层结构预测控制算法是否能快速求解的关键因素,且其计算复杂度正比于控制输入量与控制时域长度乘积的三次方,为双层结构预测控制在工程设计中的应用提供了有益的参考。3.为了降低预测控制在大规模系统在线实施中的计算量,并保持系统的全局优化性能,提出一种集中优化与分散控制的双层结构预测控制策略。该策略是在全过程模型的基础上,利用稳态目标计算层对系统进行集中优化,并将系统的动态控制层划分为多个子系统,各子预测控制器利用各自的子过程模型来进行动态控制,实现系统保持全局最优性的同时,降低在线动态控制计算量；在各个子系统之间添加前馈控制器对中间变量的扰动进行补偿,降低中间变量扰动对系统的影响,提高系统的动态控制性能。4.针对工业大系统双层结构预测控制策略出现模型失配和不可测扰动的影响,将稳态误差的概念引入对稳态目标计算的经济性能目标函数中,从而消除稳态预测误差的影响,并对模型失配和不可测扰动两种情况进行性能分析。