自上世纪八十年代以来，DCS(分布式控制系统)及现在兴起的FCS(现场总线控制系统)逐渐取代了盘装控制器的地位。DCS引进我国后的近二十年的实践，使人们逐渐发现，应用的结果与原来购置DCS的希望目标相差甚远。在炼油、化工、电力等行业，除一些简单装置外，用DCS实现优化控制的为数甚少。因为优化控制的基础是装置的闭环稳定自动控制，这就要求装置的各个控制回路应该实现闭环自动控制的环节都实现闭环控制。然而目前DCS、FCS的最基本的单元控制环节，仍然采用的是经典的PID控制算法。长期的实践证明PID控制器是一个很好的控制器，它在系统控制中功劳卓著。但随着科学技术的发展，生产装置愈来愈大型化、复杂化，而且技术性能越来越高。在生产过程中出现了许多非线性、时变、大时滞、强耦合等环节，而且大的干扰还经常发生。对付这样的被控对象，PID调节器就显得无能为力了。 人们试图用某些先进控制算法来解决这些问题。但又遇到了另一个问题：即先进控制律的设计，必须要求建立系统可用的数学模型或完备的知识库和推理模式。实践证明，完成上述任务也是一件十分困难的事。有时，目前的科学技术水平甚至是无能为力的。 然而，现代控制理论和经典PID都存在着许多良好的性质和设计方法，这些精华不应该被抛弃。所以设计一种兼有现代控制理论与经典PID理论的优点，又适应复杂系统优化控制要求的新型控制器，就提到自动控制工作者的研究日程上来了。无模型控制理论就是在这种情况下产生和发展起来的，依据这一理论设计的无模型控制器开始应用到了工业现场。近十几年来，无模型控制方法无论在理论上还是在实践上，都取得了显著的的成果。 本文系统地对无模型控制方法的性质、功能及应用进行了研究，进一步揭示了此方法的合理性、有效性和内在本质，为进一步推广使用提供了理论依据和成功范例。 首先对无模型控制方法的本质进行了描述和研究，指出它是一种建模与反馈一体化的控制策略；对无模型控制律的一般形式的收敛性进行了分析证明，并对收敛性条件进行了分析，从而在理论上证明了无模型控制方法的合理性和有效性。 其次研究了自适应控制在实际应用中存在的问题。自适应控制理论及应用现在都已取得了显著的成果，但在实际应用中却遇到了相当的困难，为此本文对自适应控制和PID控制对强耦合、变时滞及非稳定系统的控制效果进行了仿真研究，指出这些方法对许多应用系统进行稳定控制的不足。而无模型控制方法为解决自适应控制的问题提供了一个切实有效的方法。针对无模型控制方法不依赖被控对象数学模型的良好控制能力，对其各项功能进行分析及仿真研究，包括适应能力、抗干扰能力和解耦能力等，这些能力的具备为无模型控制方法在复杂大时滞系统中的应用提供了基础和条件。 通过在石化DCS及硝酸氨生产过程控制等具有大时滞特点的复杂系统中，采用无模型控制技术，并利用串级形式进行控制，获得了满意的控制效果，说明无模型控制律对解决复杂系统控制问题是有效和可行的：并对无模型串级控制应用中存在的问题进行了分析并提出了改进方法。