在工业过程控制领域,时滞现象普遍存在,时滞系统的控制研究一直是控制界所关注的热点和难点。PID控制,由于其结构简单,鲁棒性好和便于操作等优点,在过程控制领域得到了最为广泛的应用。时滞系统的PID控制一直处于不断的发展和完善之中。很多先进控制方法都可以和PID控制结合,以使得闭环系统同时具有先进控制方法性能优越和PID控制易于实现等优点,其中内模PID最具有代表性。在过程控制领域,系统的扰动抑制性能是衡量系统性能的一个重要指标,扰动观测器可以有效补偿不可测扰动和未建模动态对系统性能的不利影响。常规PID控制器由于其结构上的限制,很难应用于某些对系统性能和鲁棒性要求更高的场合,而分数阶PID不失为一种有效的控制方案。分数阶PID是对PID控制的一般化,它比PID控制具有更多的自由度,因此可以进一步改善系统的性能和鲁棒性。本文的主要工作如下：第1章概述了国内外关于PID控制的研究现状。第2章研究了基于失配模型的内模PID。通过继电辨识得到对象的低阶模型,并基于低阶模型设计控制器。无论对象阶次的高低,所设计的内模控制器始终具有简单的结构。并利用Pade公式和泰勒公式推导出了相应的内模PID的解析表达式,便于工程应用。第3章针对非最小相位时滞过程,研究了一种时滞系统扰动观测器控制方案,通过引入相位超前补偿器,有效补偿了过程时滞对系统扰动抑制性能的不利影响。第4章针对一阶时滞过程,研究了两种分数阶IλIμ控制器设计方法。利用频域鲁棒性能指标设计控制器,并通过图解法求解非线性方程,得到整定参数,避免了复杂的非线性数值优化。所设计的控制器比常规PI控制器多一个整定参数,可用于改善对控制对象参数变化的鲁棒性。第5章针对一阶大时滞对象,研究了一种分数阶PIλ控制器设计方法,利用相位裕度指标设计控制器,并通过优化分数阶次λ来增强系统对控制对象参数变化的鲁棒性。最后将本文方法和常规PI控制以及Smith预估控制进行了比较。第6章对本文进行了总结和未来展望。