目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。在工业生产中普遍存在时滞和耦合,传统的PID控制已经难以适应现代的控制要求,所以先进控制和智能控制得到越来越多的关注。内模控制(IMC)自1982年问世以来,以其简单的结构,良好的控制效果在工业过程控制中获得了成功的应用,成为一种非常实用的先进控制方法。而且内模控制已推广到多变量系统在线控制的研究,以实现耦合多变量系统的闭环控制,提高经济效益、降低能耗、实现质量卡边。首先研究利用传统内模控制的理论为基础,主要分析研究在控制系统中出现系统噪声和量测噪声的解决办法,并且把Kalman滤波器和内模控制相结合,充分发挥各自的优点,设计了新型的控制系统,并进行了仿真研究。研究了在内模控制的基础上,如何实现系统的最优控制,从而引入了二次型最优控制(LQG)。本文从性能指标出发,结合LQG最优控制的设计原则进行最优控制器的设计,从而结合内模控制方法进行控制,使得控制系统达到最优的控制效果。仿真结果表明此方法能够实现良好的控制性能和控制精度。针对内模控制模型失配程度严重时,带有固定参数的滤波器不会使系统闭环性能达到最优。为了在不同状态下设计出不同的控制器,本文在内模控制的基础上,运用模糊控制的基本原理,找出一系列合适的模糊规则调节内模控制中滤波器的时间常数并进行仿真对比,验证了控制方法的有效性。对于多变量多时滞系统研究了基于模型降阶的多变量解耦补偿内模控制方法。通过NLJ算法对被控对象进行模型降阶,然后再在内模原理的基础上进行多变量系统的设计。仿真结果表明经过模型降阶后设计的内模控制系统能够实现很好的控制效果,且运算量要减小很多。最后结合实际的工业生产,将IMC-PID内模控制方法运用在茂名石化100万吨重整装置进行生产参数的优化,收到了良好的经济效益和社会效益,既有良好的应用前景和推广应用价值。