许多工业过程都包含非自衡对象。非自衡对象一般都包含有积分环节和纯时间滞后。常规的PID控制器运用其中，无法克服因大时滞带来的困难。传统的Smith预估控制和内模控制，不能直接应用于非自衡对象。针对这个问题，近年来，很多学者从传统的PID控制、Smith预估控制和内模控制出发，做了很多改进，取得了一定的成绩。本文首先对非自衡领域的研究现状做了简要概述，接着阐述了内模控制的基本原理、性质及控制器的设计方法，并着重分析了传统内模控制器在非自衡对象中应用的不足，为了解决这个问题，随后介绍一种改进的两自由度内模控制结构。在传统的一自由度内模控制结构的基础上增加一个预稳定控制器，实现了系统跟踪性能和抗扰性能的解耦控制，它能同时保证系统内稳定和稳态无差，在分析这种结构性能的基础上，提出了闭环系统内稳定的判定定理，并加以证明。针对非自衡对象的镇定问题，根据幅值相角裕量的基本定义得出使系统临界稳定的预稳定控制器参数，并将参数最大化，得出具有一定稳定裕量的一阶、二阶非自衡对象的PID控制器整定参数，并通过仿真实验研究各个参数对系统性能的影响；利用对象的互质分解，求出满足Bezout等式的参数，得出使一般非自衡对象内稳定且具有H₂意义下性能最优的通用控制器公式，并通过仿真实验研究各个参数对系统性能的影响；用最大模原理得到最优的内模控制器，然后引进衰减因子，找出满足H_∞理论下的系统稳定的条件，得出一阶、二阶非自衡对象预稳定的控制器整定参数，并用仿真实验研究各个参数对系统性能的影响。最后通过一个一阶大时滞非自衡对象和一个二阶非自衡对象的仿真实验，对上述三种方法设计的系统性能进行了比较。