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针对一类不稳定大时滞过程，提出一种二自由度IMC-PID串级控制设计方法。系统内环按照IMC原理设计为经典反馈控制结构，主要用于实现不稳定对象的镇定和快速消除系统的主扰动；系统外环设计为二自由度内模控制结构，使系统设定值响应同干扰响应分离，得以分别设计控制器。理论分析和仿真结果表明，给出的控制策略能够有效地解决一类开环不稳定大时滞过程的内模控制应用问题，并且使系统同时具有良好的控制性能和鲁棒性。