现如今,在生产工艺不断改进的同时,对于整个过程控制的水平要求也日益提高。普通的PID控制器对于有些较为复杂的控制回路难以进行优良的控制,而PID控制器在工业生产过程中具很高的使用率,所以对普通的PID控制器进行改进就变得非常有必要。在此背景下本文基于二自由度内模(’TDF-IMC)控制结构对PID控制器进行了研究。实际生产过程中经常会遇到工况波动范围较大或操作条件变化较频繁等问题,而多模型控制为解决上述问题提供了很好的方法,因此本文针对多模型也展开了一些研究。具体的研究内容如下述几个方向：首先本文研究了如果通过二自由度内模控制器的结构来推导求解PID控制器参数的形式。运用系统的结构奇异值和带约束的IAE性能指标来整定TDF-IMC反馈滤波器器参数,运用IAE性能指标和超调约束来整定TDF-IMC反馈滤波器参数,最终根据TDF-IMC与PID控制器之间的参数的关系进行转换来求解出TDF-IMC-PID控制器的相关参数。最终仿真表明控制效果优良,值得在实际应用中进行推广。其次提出了一种多模型二自由度内模控制方案,用多模型来逼近大范围工况,用二自由度来保证良好的跟踪效果和抗干扰鲁棒性,并将K-means聚类算法进行改进,然后将采集到的数据进行区分,并建立模型集。通过仿真和实际应用证明,该方法针对工况复杂多变、滞后时间长的单回路具有很好的控制效果。最终成功的应用在脱己烷塔装置上,提高了产品质量和经济效益。最后本文针对模型集中模型个数多时控制精度高但是会造成过渡时间较长的问题进行了研究,通过多个模型集的方法有效的解决了上述问题。并提出了采用通用型MVC3原理以及线性二次高斯逆的最优问题来求解模型预测控制的加权矩阵,并将模型预测控制器与起作用集方法相结合实现了操作优化。