实际控制系统中不可避免的存在着各种约束,大多数工业过程都会出现输入量及其增量约束以及输出量约束问题。现在对无约束控制系统设计的研究已经非常成熟,各种约束的存在使得无约束控制系统设计方法不能很好的应用在有约束控制中,有必要深入研究有约束控制算法和有约束控制器设计。模型预测控制以其特有的实时滚动时域控制策略,不需要控制对象精确数学模型的解析表达式,在处理约束问题上显示出巨大的吸引力。同时,预测控制也很容易与其他先进控制策略相互渗透和利用,在复杂工业过程控制中表现出良好的应用前景。饱和特性广泛存在于实际工业过程中,传统理论经常漠视这一现象。饱和是强非线性,它的加入增加了系统分析和设计的复杂性,如执行器饱和导致驱动力锁定而失去调节作用。近年来对饱和控制系统的研究取得不少进展,在实际应用中,仍需要进一步的深入研究。本文在掌握国内外研究现状的基础上,开展了进一步的研究工作,主要内容有:(1)从控制系统中的约束类型开始介绍约束的种类、约束的处理方法,并系统地总结了有约束控制系统设计的发展和研究现状。(2)介绍了内模控制的原理和结构特点,研究了PID超驰控制和IMC超驰控制,并介绍了这两种控制方法在处理输出约束方面的优缺点。基于这两种方法不容易扩展到多变量有约束控制系统中,介绍了另外一种处理输出约束的方法,即基于IMC超驰控制的串级约束控制。分析了串级约束控制的控制原理,并研究了串级约束控制的设计方法,并且通过仿真实例来说明了串级控制系统的控制和PID超驰控制及IMC超驰控制的控制性能相同,而串级约束控制更容易扩展到多变量控制系统中。(3)通过对MPC算法的深入研究,提出了一种改进的有约束MPC算法,并介绍了这种算法在精馏塔系统中的应用。介绍和研究了常规MPC算法及在工业中应用以及应用中所遇到的问题,在此基础上介绍一种可以有效处理有约束过程的改进的MPC算法,介绍了怎样把约束处理结合到单目标模型控制策略中的方法。基于有约束MPC算法中二次规划不能保证系统有可行解,利用约束软化的方法来允许控制有小的约束违背,通过对目标方程中权重的合理选择能够使得约束违背的范围足够小,用这种折中的方案来达到较满意的控制效果。并通过在工业过程控中的应用仿真表明,利用约束软化的方案,采用有约束MPC算法来控制有约束多变量控制系统,能够较好地改善系统的控制性能。(4)执行器饱和将严重影响工业过程控制的性能,如何设计出有效抗饱和即有Anti-Wind-up功能的控制器一直是控制领域一个重要的课题。基于对控制器饱和性能的研究,提出了一种约束控制器的设计方法,即对有饱和控制器进行非线性补偿,并对这一设计方法进行了理论分析和数学推导。通过例子来说明这种非线性补偿对控制性能提高的有效性。同时,通过实际工业过程,即用工业锅炉水位控制模型进行验证,仿真结果说明这种控制器能够有效改善控制系统的控制系能。采用抗积分饱和控制器策略的系统的动态性能有较大提高,并且系统的扰动得到较好的抑制。