多变量频域方法（multivariable frequency domain method）是线性系统理论中建立在频率域分析基础上的一个理论分支，是用多项式矩阵理论把状态空间方法同经典频率域方法结合
起来，研究线性定常多变量控制系统的一整套理论和设计方法。
经典的频率域方法采用
传递函数、频率响应等描述系统输入输出关系的特性，对用于解决
单变量控制系统的设计问题很方便。1960年前后兴起的现代控制理论以
状态空间法（即时间域方法）作为主要的分析和综合方法，它能描述
多变量系统的内部结构，而且适于应用计算机进行分析和设计。但状态空间法在处理复杂的工业过程控制时遇到了困难，主要表现：①难以获得被控对象的精确数学模型；②难以用明显形式规定被控对象行为的性能指标；③直接采用最优控制和最优滤波（见卡尔曼-布什滤波）综合得到的控制器的结构过于复杂，在技术上很难实现。70年代中，H.H.罗森布罗克等人创立了多变量频域方法，成为现代线性系统理论中有影响的学派之一。多变量频域方法能全面反映系统的内部特性，揭示由时间域方法所导出的各种概念和规律，同时还具有经典频率域方法的集约程度高、物理概念清晰和便于对控制系统进行设计调整等优点。
在多变量频域方法中，线性定常系统的
数学模型通常采用以部分主要状态变量（称为分状态）z(t)代表系统行为的微分算子描述：
式中u为输入即控制向量,y为输出向量。T(S)、U(S)、V(S)、W(S)都是以s(微分算子或拉普拉斯变换算子)为自变量的多项式矩阵，它们能提供描述系统所需的全部信息。因此，如下构成的分块矩阵被称为系统矩阵：
系统的许多内部特性都可通过对系统矩阵的分析而得到。例如，T(S)和U(S)的左互质（它们的左乘公因式矩阵的行列式为非零常数）表示系统的能控性，T(S)和V(S)的右互质则表示系统的能观测性。系统的
传递函数矩阵 G(S)与系统矩阵间的关系为：
式中T是T(S)的逆矩阵。在多变量频域方法中还常采用系统的矩阵分式描述(简记为MFD)，即按照一定条件把G(S)分解成两个多项式矩阵相除的形式：Nr(S)D峊或D屡N1(S)。前者称为右MFD，后者称为左MFD。采用系统的矩阵分式描述，可以方便地应用多项式矩阵理论对系统进行分析和设计。
多变量系统的输入输出特性同传递函数的极点（在D(S)和N(S)为互质时，代数方程detD(S)=0的根）和零点（在D(S)和N(S)为互质时，使N(S)秩的s值）之间具有密切的关系。
多变量系统基于频率响应的设计方法有逆奈奎斯特阵列方法、序列回差方法、并矢展开方法和特征轨迹方法等。这些方法的共同特点是,把多输入、多输出且回路间紧密关联的多变量系统的设计问题，化为一系列
单变量系统的设计问题，进而可以选用某一种经典方法（例如频率响应法、根轨迹法）完成系统的设计。这些方法需要经过复杂的计算和采用计算机辅助设计和仿真，以及通过人机对话反复修改后才能得到满意的结果。利用带有图形显示终端的人机对话式计算机辅助设计，能充分发挥设计者的经验和知识，设计出满足品质要求、结构简单的控制器。基于多变量频域方法的
控制系统计算机辅助设计程序包已经得到广泛应用。