串级控制是一种先进的多回路控制结构,具有抗干扰能力强、响应速度快、结构简单等优点,因此在过程控制领域有着广泛的应用,许多涉及流量、温度、压力和液位的工业生产过程都采用串级控制系统。然而传统的串级控制系统都采用一自由度控制结构,设计主、副回路控制器时,须同时兼顾设定值跟踪特性与干扰抑制特性,在两种特性之间进行折中选择。通过使用二自由度控制策略,可以使系统同时具有良好的设定值跟踪性能与干扰抑制性能。在控制系统中使用分数阶控制器,不仅可以使系统控制更加灵活,而且能增强系统的鲁棒性。所以,本文针对三类不同的串级时滞过程,分别研究了分数阶二自由度控制方法。首先针对串级稳定时滞过程研究了分数阶二自由度PID控制方法。该方法在副回路通过使系统实际与期望的闭环传递函数的Maclaurin级数相等,获得了PID控制器参数。在主回路基于Bode理想传递函数与内模控制原理,将设定值跟踪控制器与干扰抑制控制器设计为分数阶PID控制器。经过仿真验证,该方法有效提升了系统的闭环性能。然后,在串级控制系统中为两类积分时滞过程设计了一种分数阶二自由度Smith预估控制结构。该控制结构由三个控制器组成,其中副回路包含一个控制器,主回路包含两个控制器。副回路控制器为PID控制器,能快速消除内环干扰对系统的影响。主回路设定值跟踪控制器与干扰抑制控制器采用不同的分数阶内模滤波器设计,不仅能独立调节系统的设定值跟踪响应与干扰抑制响应,而且通过引入分数阶控制也提高了系统控制的灵活性。仿真结果表明该方法能使系统具有良好的动态性能。最后,针对不稳定时滞过程,设计了一种基于内模控制的串级控制结构。该结构包含副回路控制器、稳定控制器、主回路设定值跟踪控制器以及抗扰控制器。其中副回路控制器采用了整数阶内模控制方法设计,并基于鲁棒性方法（最大灵敏度）整定了参数。稳定控制器为PD控制器结构,基于Routh-Hurwitz稳定判据设计。主回路设定值跟随控制器与抗扰控制器均采用了分数阶内模控制方法设计。仿真结果表明该方法具有良好的设定值跟踪响应与干扰抑制响应。