在化工、炼油、冶金和造纸等一些复杂的工业过程中，广泛地存在着时滞现象。由于时滞的存在，使得被控变量不能及时地反映系统的输入变量的影响，从而使控制系统产生明显的超调，控制系统的稳定性变差，调节时间加长，这些因素都导致了时滞系统难于控制。另一方面，在过程控制中，除稳定时滞过程外，还存在积分时滞对象和不稳定时滞对象。它们越来越成为过程控制界深入研究的热点。 DCS系统已经成为过程控制中不可缺少的装备，现在已经大量运用到过程控制领域。由于PID具有结构简单，容易被理解和实现，又能够通过不同的整定方法来控制稳定时滞、积分时滞和不稳定时滞对象，所以PID控制器几乎是所有DCS控制系统的标准控制器。但是，采用PID控制器控制大时滞过程时，为了保证闭环系统稳定，就要调低PID控制器中的积分作用和增益，使得闭环响应变慢，控制品质下降。因此，对积分时滞对象、不稳定时滞对象和逆响应时滞对象等时滞对象的控制也越来越受到重视。 基于时滞补偿思想的控制方法，例如Smith预估控制和内模控制，大大提高了时滞系统的控制质量。但是，基本Smith预估控制只能控制稳定时滞过程，对于积分时滞过程采用Smith预估控制器控制时，当在阶跃干扰作用下，系统就会出现余差。内模控制主要用于控制稳定时滞过程和积分时滞过程，而用于不稳定时滞过程时就会遇到困难。这样就出现了各种改进Smith预估控制和改进内模控制方法。因此，针对稳定时滞过程，积分时滞过程和不稳定时滞过程来研究其控制结构、控制器()计及整定方法具有重大的理论意义和实际意义。 本文的主要创新工作有：1)在双自由度内模控制结构的基础上，针对稳定时滞过程，积分时滞过程和不稳定时滞过程，提出了整套控制器设计和整定规则，给出了内稳定性判定条件。针对不稳定时滞过程，提出了基于最小化谐振峰值的控制器参数整定方法。在分析了闭环系统鲁棒稳定性基础上，给出了设定点控制器的参数整定原则。与其它控制和整定方法相比，控制系统性能得到了提高。 2)在Smith预估控制及其改进型的基础上，提出了双环Smith预估控制结构(Double-loopSmithPredictor)。根据不同的设计和整定方法，它能够控制稳定时滞过程，积分时滞过程和不稳定时滞过程。它由三个PI或PD控制器组合而成，容易在DCS系统中组态产生。双环Smith预估控制的内环用于稳定时滞积分过程或不稳定时滞过程，并将过程转化为一阶时滞过程；外环的Smith预估器主要用于抑制负载干扰。双环Smith预估控制的优点在于：结构简单，物理概念明晰，对于一阶、二阶稳定时滞过程，积分时滞过程和不稳定时滞过程，其闭环传递函数均可以设计为一阶加纯滞后动态。针对不稳定时滞过程，提出了一个综合考虑相角裕度和闭环性能指标函数，最大化该指标函数，得到了优化的控制器参数整定公式。 3)针对逆响应时滞过程，提出了改进干扰观测器用于估计和消除负载干扰。基于干扰观测器的控制结构是一种双自由度的控制结构，可以独立设计和整定设定点控制器和干扰观测器。针对阶跃干扰和斜坡干扰，分别设计了干扰观测器。在定量分析闭环系统时域性能基础上，给出了设定点控制器的参数整定原则；在分析了闭环鲁棒稳定性基础上，给出了干扰观测器的参数整定原则。 4)为了验证控制算法的有效性，本文将控制算法应用到生物发酵罐的温度和pH值控制中。针对积分时滞过程，提出了基于单脉冲响应的模型辨识方法。在实际实施控制算法时，解决了控制器饱和问题，提出了利用控制器重置方法来消除由于处理饱和问题而产生的小余差问题。试验结果表明，不论是控制线性的温度过程还是非线性的pH值过程，都取得了令人振奋的结果。 5)结合软件工程思想，在LabWindows/CVI环境中开发了实时控制与仿真软件。该软件具有DDE，OPC等数据接口，方便与其它控制软件进行数据交换。在双PC实时控制测试平台上完成了测试。