微波作为一类新型能量载体已经在食品、化工、冶金及材料等众多领域表现出巨大的应用价值。相比于传统的加热过程,微波能够容易地穿透大部分介电媒质,在与媒质相互作用的同时直接生成体积热,具有卓越的节能、省时和环保特性。随着节能减排的全球化理念深入人心,微波能技术已经吸引越来越多科学家、工程师的重视,并作为一种新型热工手段,对各类涉及热处理行业的技术改造与设备更新造成了极大地冲击。但由于对微波与媒质相互作用的机理不够熟悉,常导致在不匹配的微波辐射下,被加热媒质会出现受热不均。若缺乏有效的调控策略,局部过热现象将会进一步加剧,并有可能引发燃烧、爆炸等热失控(thermal runaway)现象,进而毁坏磁控管、传输线以及被加热媒质,无法保证微波源安全、高效及可靠的应用。而解决上述问题的有效措施之一则是在深入分析微波加热动态过程的基础上,辅以不同区域的检测信息,设计合理的功率调节策略,以实现期望的全局/局部温升曲线。本论文在973计划子课题“基于负载特性的微波源实时智能控制理论与关键技术”支持下,主要围绕微波加热过程中“建模”及“控制”两大关键性问题展开研究,探寻多物理场自身演化机理与相互耦合规律,构建具有明确耗散功率的微波加热温度模型,改进谱迦辽金法,提出有限维微波加热ODE温度模型及其耦合算法并设计输入受限的滚动时域鲁棒温度谱/温度跟踪控制策略,以实现微波加热过程中热失控的抑制,其主要研究工作及相关成果包括如下几个方面:(1)针对微波加热介电媒质的耦合原理,将微波加热温度模型划分为电磁场及热动力学场子模型两大部分,并运用数学语言分别对多物理场自身演化与相互耦合机理进行刻画。其中,媒质内部热传导、边界热对流以及能量转化的过程利用一类具有非齐次项的抛物线型偏微分方程(PDE)模型进行表征。而“热-电磁”时空耦合过程需要在深入分析电磁传播机理的基础上,分别针对介电常数不随/随温度变化情形,将传统的主模分析法和空间离散法进行推广,构建出具有明确耗散功率的微波加热温度模型。(2)空间微分算子无限维特征和非齐次Neumann边界条件的约束导致难以基于机理模型设计控制器。针对这一障碍,论文首先从理论上分析非齐次Neumann边界条件的稳态与非稳态特征,推导出具有齐次Neumann边界条件的等价PDE模型。并以此为基础,利用特征谱分解与迦辽金截断的特性,提出适合于控制设计的有限维微波加热常微分方程(ODE)近似温度模型。并围绕微波加热德拜媒质数值仿真中多物理场子模型间网格化与非网格化的冲突,借助空间离散局部反馈信息,提出时变电磁子模型与有限维ODE模型串行求解策略,为控制器设计奠定坚实的基础。(3)以有限维ODE温度模型为基础,首先研究在热点区域未知情形下的跟踪控制策略,利用未受扰动的期望模型,将模型跟踪问题转化成误差镇定问题。并在线性矩阵不等式(LMI)多目标优化框架下,围绕微波加热德拜与非德拜媒质过程中输入受限的有界扰动抑制问题进行分析,融合鲁棒优化理论,分别提出滚动时域H∞与改进型滚动时域H∞温度谱跟踪策略。进一步,为了提高闭环系统动态性能并减弱输入抖振,以H∞增益与保性能函数两者结合的性能指标为依托,提出滚动时域H∞保性能温度谱跟踪控制策略。(4)针对热点区域已知的微波加热过程作为研究对象,利用期望的温升曲线,对监测点的最高温度跟踪问题进行分析与探讨。分别围绕介电常数不随温度和随温度变化两种情形,构建出离散形式的确定型/不确定型增广模型。同样以H∞增益与保性能函数作为性能指标,将连续时间域中所设计的输入受限鲁棒控制策略推广到离散时间层面,分别提出滚动时域H∞、改进型滚动时域H∞以及滚动时域H∞保性能温度跟踪策略。论文中的温度模型及跟踪控制策略均通过数值仿真,进一步验证所提出算法、策略的有效性和可行性,为保证安全、高效、可靠的微波加热工业应用提供了崭新的解决思路与坚实的理论基础。