Die vorliegende Arbeit richtet sich an Ingenieure und Wissenschaftler, die im Bereich der Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren tätig sind. Sie umfasst den Entwurf einer Lambdaregelung, die neuartige Modellierung und die systemtheoretische Analyse eines Drei-Wege-Katalysators sowie den Entwurf und den Vergleich von linearen und nichtlinearen Reglern für den Katalysator. Das Katalysatormodell und einige der entworfenen Regler werden an einem Laborprüfstand verifiziert. Das neue Konzept der Gewichtsfunktionen ermöglicht die Transformation von physikochemischen Katalysatormodellen in den Zustandsraum und damit die Nutzung der bewährten Werkzeuge der Regelungstechnik. Die Darstellung im Zustandsraum erlaubt die Berechnung von Strukturmaßen und damit den quantitativen Vergleich verschiedener Betriebspunkte oder Katalysatoren miteinander. Des Weiteren werden der Reglerentwurf mittels exakter Ein-/Ausgangslinearisierung oder die modellbasierte Parametrierung eines LQ-Reglers ermöglicht. Die Methoden in dieser Dissertation können auch auf andere Katalysatortypen oder chemische Systeme angewendet werden.