尽管控制理论已经取得了极大的进展，许多先进的控制方法相继提出，PID控制器仍然是应用最广泛的控制器。据统计，在过程控制中，超过95％的回路的控制器是PID类型，大多数实际上是PI控制。 继电反馈自整定技术的出现，使得PID控制器的调节变得十分简单。本文研究了继电反馈技术的最新研究成果，从面向工业实际应用的角度出发，提出了新的基于继电反馈的频域辨识方法和自整定控制器设计方法，用于解决工业过程的建模与控制问题。 论文分四个部分：(1)基于继电反馈的频域辨识的研究；(2)基于继电反馈的自整定控制器的设计；(3)继电反馈对系统监测及性能评价的应用；(4)继电反馈在典型过程控制问题中的应用。 本文的工作包括以下几个方面：1.将继电反馈技术与频域辨识方法结合，提出一种新的辨识方法。该方法可以有效避免现有的继电反馈辨识方法辨识时间过长且只能辨识固定结构的低阶模型的缺点，能够辨识包括迟延在内的任意阶模型的传递函数参数。首先由一次继电反馈实验辨识过程多点的频率响应数据；其次利用最小二乘方法估计模型传递函数参数的初值；最后通过变换，将非线性的目标函数化为解析形式，由共轭梯度法准确的辨识模型传递函数参数。 2．基于继电反馈的自整定控制器的设计。自整定控制器的设计包括一般单变量控制器的设计和鲁棒PI控制器的设计。一般单变量控制器具有灵活的结构，当为低阶时，可以等价于PI/PID控制器。利用过程多点频率响应数据，规定理想动态特性，由最小方差的方法拟合理想动态特性来计算控制器的参数。鲁棒PI控制器的设计以最大灵敏度为设计参数，使系统回路传递函数的Nyquist曲线与以点(-I，0)为圆心，最大灵敏度的倒数为半径的灵敏度圆相切。通过引入Bode积分。过程幅值与相角的导数可以由过程的频率响应求得，使得鲁棒控制器的设计无需过程模型。 3．继电反馈对系统的在线监视及性能的评价。由改进的继电反馈结构在线辨识闭环控制系统的幅值裕度和相角裕度，从而达到性能监视及评价的目的。方法的关键在于对极限环幅值的线性假设。对线性假设的准确性进行了广泛的检验，并给出了该假设成立的条件，即过程的Nyquist曲线具有顺时针性质。当控制系统性能较差时，由继电反馈实验得到的过程的频率响应数据进行控制器的再整定，无须额外的调节时间。该方法同时具有性能监视和控制器的再整定的功能，因此可以使控制系统具有很强的自适应能力。 4．顺序继电反馈控制对多变量系统的应用。首先阐述了该方法对双输入双输出过程的控制，然后将其推广到n×n的多变量系统。与其他方法相比，该方法在自整定的同时可以准确的辨识过程模型，因此可以有效的解决变量配对问题，并使解耦或基于模型的多变量控制器的设计成为可能。 5．继电反馈控制对典型过程控制难题的解决方案。讨论了继电反馈控制在非线性、大滞后这类典型的过程控制难题中的应用。将继电反馈控制与多模型自适应控制相结合，对强非线性系统进行控制；将继电反馈控制与Smith预估控制相结合，对大滞后系统进行控制。最后，介绍了PEMFC燃料电池的工作原理，分析了影响PEMFC性能的因素，将继电反馈自整定控制应用到了质子交换膜燃料电池(PEMFC)控制系统。