在自动控制领域中,由于比例-积分-微分(PID)控制器具有较多的优点而被广泛应用。但是,实际生产过程中被控对象存在大时滞,使得控制器的调节变得复杂。单纯的PID控制策略不再能满足控制要求,面临着巨大的挑战。工业过程控制中,一般的控制器在控制性能方面总是只能顾此失彼,从而想实现现代化的高精度控制效果往往不尽如人意。而二自由度控制的控制目标是通过不同的控制器进行独立设计从而使系统的设定点跟踪和抗干扰抑制性能都能够单独进行控制,这样主要的两个性能指标都能同时得到优化,实现所需要的控制效果。目前所提出的二自由度控制方法在控制器结构、控制器参数整定以及控制性能等方面还存在很多待解决的问题。基于这样的背景,需要通过改进的二自由度控制方法来解决上述的问题以达到理想的控制目标。本文针对工业控制领域中具有代表性的过程控制对象,研究了二自由度PID控制器的解析设计方法,设计的控制器结构简单、参数整定方便,通过对两个可调参数的整定,可以使得系统同时具有良好的设定点跟踪和干扰抑制特性,仿真研究证明了本文算法的有效性。具体的工作可分为三部分:第一部分研究了一种二自由度内模PID控制器的设计。针对稳定的时滞过程,将控制回路间相互作用的影响视为对回路的干扰,采用二自由度结构结合内模控制IMC)理论设计控制器,同时,采用全极点逼近对时滞项进行逼近,针对不同的过程采取不同的参数整定方法,以减小计算量,仿真结果证明了该方法能够同时兼顾设定点跟踪性能和抗干扰抑制性能;第二部分是针对化工过程中具有代表性的不稳定一阶时滞过程,设计了一种统一的二自由度控制结构,它由内部镇定控制器、设定值前馈控制器和反馈控制器组成,结构相对简单,保证了在不稳定过程情况下依然能够保持良好的控制性能;第三部分是通过将Smith控制结构进行改进,并结合了内模控制理论思想,研究了一种二自由度Smith预估控制方法,把系统的设定值跟踪特性和干扰抑制特性解耦,通过控制器的设计,使系统具有良好的控制性能,控制算法简单,参数整定方便。