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在工业过程控制中,PID控制器是一种应用较为广泛、控制效果较为良好的低阶线性控制器。对于多数的模型对象,通过调整PID参数,控制器均能取得理想的控制效果。然而,对于具有较强非线性特性和较大时间滞后常数的被控对象,PID控制器往往不能取得令人满意的控制效果。特别的,对于一类高阶时滞单输入单输出线性时不变系统,PID控制器的参数存在着能控的范围。水箱液位系统是一类典型的被控对象,很多化工生产工艺的整体或局部都可以抽象为水箱液位系统。因此,水箱系统的液位控制研究具有很大的研究价值和广泛的应用背景。然而,对于一类高阶滞后的非线性单输入单输出水箱液位系统,传统的PID控制器不能取得良好的控制效果。所以,针对水箱液位系统的实际结构和模型对象,采用有效的控制方法成为一个重要的研究课题。本文依托东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室,提出了一种基于虚拟未建模动态补偿的PI切换控制方法并针对通用模型和实际的水箱液位系统进行了控制实验研究,主要工作归纳如下：1.对高阶时滞系统进行了描述,并给出了高阶时滞系统PI控制器能控参数范围的计算方法；2.针对虚拟未建模动态补偿,采用了基于以往数据的方法,以两种形式对针对虚拟未建模动态补偿进行了计算和估计。针对高阶时滞系统模型特性,将其数学模型表述为低阶线性模型和高阶虚拟未建模动态补偿之和的形式,在工作点附近设计了由线性PI控制器、基于虚拟未建模动态补偿的非线性控制器和切换准则组成的非线性切换控制器,并选用了一类高阶时滞系统进行了仿真研究,验证了所设计方法的正确性；3.针对本文所研究的水箱液位系统的实际结构和模型特性,根据动态物料平衡方程和过程控制建模方法建立了机理模型和控制器设计模型,并给出了参数辨识方法。在此基础上,采用降阶的模型设计了基于虚拟未建模动态补偿的PI切换控制器并进行了水箱液位系统控制的仿真研究,并与采用线性PI控制器、基于虚拟未建模动态补偿的PI控制器和基于前一拍补偿的PI非线性控制器时的液位仿真控制实验结果进行对比分析,验证了该切换控制器能够获得最佳的控制效果；4.利用在东大智能多功能过程控制实验平台上,进行了控制器设计模型的参数辨识,并根据辨识所得的系统模型进行了PI控制器能控参数范围的计算。然后,进行了基于虚拟未建模动态补偿的PI切换控制实验研究,并与采用线性PI控制器和基于前一拍补偿的PI非线性控制器的液位控制实验结果进行对比分析,验证了所设计的切换控制器能够达到满意的水箱液位控制效果,从而充分验证了本文所提的控制方法具有很高的控制精度和很高的实际应用价值。