带约束系统广泛存在于过程控制工业现场中,约束的影响是一些在实验室环境中表现出良好控制效果的控制器在现场应用时效果变差的重要原因。本文选择内模控制和PID控制作为带约束系统的控制器。前者作为另一种先进控制方法,本身有着结构简单、待设计参数少和鲁棒性强的优点。由于其这些特性,内模控制成为了非常有潜力在今后代替PID控制的控制方法。PID控制作为一种非常成熟的控制方法,在当前的工业现场应用得最为广泛。现场的约束对于此两种系统的影响是非常显著的。特别是内模控制在广泛存在的多变量系统领域的成功实践经验还不是十分丰富,其主要原因就是会受到约束的影响而无法达到其应有的控制目标。针对此问题,本文以带约束多变量系统及其基础带约束单变量系统作为研究对象,利用优化方法设计控制器以满足约束条件或降低约束对控制效果的影响,以期为在工业控制现场的带约束条件下设计控制器的难题提供一种解决的思路。本文首先对约束问题和内模控制的发展和现状进行了总结和介绍,又对内模控制器的结构、性质以及与PID控制器的转化方法进行了阐述和分析,还针对带过程约束的时滞系统,基于NLJ算法设计了IMC-PID参数,实验结果表明这种方法能够良好地克服时滞和过程约束的影响。针对NLJ方法在处理控制器输出约束问题时常常失败的问题,本文将NPSO算法引入约束问题的研究中,并改进了NPSO算法使之能够在有控制器输出变化率约束的系统中应用。通过这种方法,分别设计了能够在带约束时滞系统中应用的PID控制器和内模控制器,与之前已有的经典方法比较得到了很好的结果,证明了本方法的优势,再通过针对一组工业中存在的对象进行控制器的设计,证明了本方法有较强的适用性。之后再基于改进的NPSO算法对简化解耦后的多变量系统设计了PID控制器,应用此控制器与原带约束多变量系统中取得了理想的控制效果。以上提到的实验证实了本文提出的设计控制器参数的方法合理有效,并且有着很好的应用前景。