随着生物技术的发展,微生物反应过程在国民经济中的地位也越来越重要。由于微生物反应过程机理复杂,具有非线性、时变性、模型不确定性等特点,对微生物反应过程进行建模研究有着重要意义。另一方面,当微生物反应系统出现较为显著的随机干扰或存在某些不确定因素时,经典的控制方法很难在反应过程控制应用中取得良好的效果。因此,探究合适的建模方法和优化控制策略,并将其应用到微生物反应过程具有重要的理论意义和现实意义。本文针对这两部分做了如下工作：首先,研究了两类基于单一限制性基质的微生物反应过程非结构式动力学模型。第一类,建立了基于状态反馈脉冲控制的微生物培养模型,并对该模型进行理论分析。此外,通过对生物量产率的优化,得到了最佳的底物控制水平和反应器介质的去除比例,提高了资源的利用率和生物量产量及质量。第二类,建立了基于变结构控制的微生物培养模型。利用Utkin等效控制方法对模型进行定性分析,给出正常平衡态、虚拟平衡态、伪平衡态以及切点的存在条件以及全局稳定性。同时利用MATLAB软件对所建立的模型进行数值模拟,进而验证了理论结果的正确性。其次,为了使微生物反应过程处于稳定的最佳操作状态,同时消除振荡现象,我们将最优控制与滑模控制相结合,设计了滑模最优控制器,用来跟踪最优控制下的奇异弧,并在瞬态条件达到生物量产量最大化。此外,针对于微生物连续反应过程存在的不确定性因素可能会引起系统不稳定这一问题,采用区间二型模糊算法对反应过程进行控制。仿真结果表明：在系统参数发生扰动时,区间二型模糊控制算法能够使系统的动态性能得到有效的改善。