现代工业生产中的工艺过程日趋复杂，对控制系统的指标要求也越来越高，传统的PID单回路控制已经不能满足系统的需求，尤其在大范围工况条件下系统参数发生变化，系统从一种操作环境突变到另一种操作环境，致使当前工作点远离常规控制器的初始设计工作点时，控制品质会显著下降。同时越来越多的实际工业过程通常是具有非线性、时变性、多变量紧密耦合、大时滞的控制对象，简单的控制结构和控制算法已经受到极大的挑战。针对上述问题，本文对大范围工况过程系统的控制结构和优化策略的设计进行了深入的研究。 本文的主要工作如下：●综述了大范围工况系统的常见结构，主要包括串级结构、分层结构、并行结构等等，总结了传统PID控制器，模糊控制器的参数调整问题，概括了大范围工况系统的控制方法。 ●首先从频域角度分析了串级结构抗干扰性优于简单控制回路。其次针对过程控制的大纯滞后，有约束，大时间常数对象，提出了串级广义预测控制算法，研究了大范围工况下系统动态优化问题，仿真结果表明串级GPC算法的控制性能优于传统串级PID控制。最后开发了基于DCS层的串级广义预测控制软件包，在山东省某发电厂的循环流化床锅炉汽水系统上得到验证。 ●研究了大范围工况下分层结构的控制器参数调整问题。首先，提出一种两层结构基于广义预测控制性能指标的PID控制器，两层结构包括底层控制回路和上层优化回路。底层回路采用工业过程中常用的PID控制器。上层优化回路基于底层控制器参数的广义预测控制性能指标()目标函数，利用滚动窗口数据在线辨识得到被控对象CARIMA模型，从而直接()化底层PID控制器参数。现场人员不需了解上层智能优化算法，只需添加优化模块，省去了巨大的硬件工程改造和软件培训费用，具有一定的实用价值和工程应用背景。其次，证明了该控制器具有PID结构但控制性能等价于广义预测控制算法，并给出了闭环系统稳定性的充分条件，同时根据krokothniv定理给出了该算法区间鲁棒的充分条件，最后通过数值仿真和水槽实际系统实验验证了本章算法的有效性。 ●提出大范围工况下一类模糊控制器参数调整问题，首先根据误差和误差变化率，选择三角形隶属度函数，构造了一类复合PID型模糊控制器。其次，根据广义预测控制性能指标的泰勒级数的二次展开式，近似处理，直接得到次优的模糊控制器比例因子的调节规律，避免了大量矩阵求逆。最后给出了系统Lyapunov函数意义下稳定时模糊控制器参数的调节范围。 ●提出大范围系统工况系统并行结构的广义预测全局性能指标的稳态优化方法。首先采用动态优化方法，根据Kalman滤波器在线估计系统状态变量，通过构造子系统的优化问题设计状态观测器，然后采用稳态优化方法，根据系统的输入输出约束，采用约束广义预测全局性能指标构造Laganrage函数计算底层各个回路的优化设定值，仿真结果表明该算法所需计算量小，优化性能好。 ●研究了一类中央空调系统的大范围工况控制及优化问题。首先，分析了中央空调控制系统的主要回路，然后给出各个回路的被控对象模型以及控制目标，包括了各个系统之间的耦合关系和系统约束以及全局优化性能指标。最后将本文提出的大范围工况各种控制结构及优化算法在实验系统上进行验证，实验结果表明本文算法能获得满意的控制效果，并能推广到解决一类大范围工况系统控制器优化设计问题。