Bom... vou começar dizendo que não li quase nenhum post ... mas dando uma olhada por cima vi gente falando em Ziegler Nichols e modelar o sistema...
Eu fiz Eng. de Controle e Automação na UFSC e lá as cadeiras de controle são super puxadas e dá pra se ter uma idéia de que, quanto mais apertadas as especificações, mais complicado é ajustar um simples PI, quanto mais um PID de um modo aceitável (ou seja... sem nem pensar nessas regrinhas práticas).
Mas, existe uma solução interessante que pode fornecer bons resultados sem precisar se modelar o sistema nos mínimos detalhes, apenas conhecendo "por cima" seu comportamento desejado: o controle fuzzy.
Além disso, esse controle é, por definição, estável, impedindo assim que alguma não-linearidade "obscura" possa acabar com todo o trabalho de sintonia do PID.
Além disso, há sempre as técnicas de controle adaptativo e controle não linear, que são relativamente simples de implementar (a maioria usa equações de estado e não funções de transferência) e também fornecem bons resultados.
Agora, é claro, se não existirem restrições grandes, é simples de ajustar um PID até no chute mesmo hehehe.