在综合考虑受控非线性机械系统的建模误差、参数不确定性、执行器故障、外界干扰等因素下,如何实现自主可靠、保瞬态与稳态性能的非线性系统控制在理论和应用上具有重要意义。本文针对非线性单输入单输出/多输入多输出机械系统,在系统未知动力学模型、执行器未知故障以及多源不确定干扰下,以“降低控制器复杂度、提升受控系统瞬态与稳态性能”为主线,开展非线性机械系统的预设性能控制理论与方法研究,主要创新性的研究工作和成果有:(1)针对存在未知非线性模型的单输入单输出机械系统,开展了基于神经网络观测器的预设性能控制方法的研究。首先,通过构造一个径向基神经网络(RBFNN)实现了对系统未知非线性的在线近似,基于RBFNN近似的结果设计了状态观测器,实现了对系统未知状态的在线估计;其次,基于观测器的输出值,在反步法和动态面技术下实现了自适应预设性能控制器的设计,基于Lyapunov稳定性理论分析了控制器和自适应律的稳定性。本文提出的自适应预设性能控制方法在保障追踪误差系统瞬态与稳态性能的前提下,没有用到复杂的误差转化过程,且无需对虚拟控制器进行连续高阶求导,因此控制器的复杂度低,更容易在线获得。最后,通过单个机械臂关节角度稳定和追踪两组算例仿真验证了所提出方法的有效性,实现了对系统未知状态的估计和保瞬态与稳态性能的鲁棒轨迹跟踪控制。(2)针对存在执行器故障的多输入多输出机械系统,开展了自适应容错预设性能控制方法研究。首先,建立了多输入多输出欧拉-拉格朗日型非线性机械系统的模型,给出了系统模型描述和执行器出现故障情况下的模型描述。其次,基于障碍Lyapunov函数对系统状态进行约束处理,并基于反步法进行了自适应容错控制器的设计。同时,基于Lyapunov稳定性理论分析了控制器和自适应律的稳定性。本文提出的方法能够定量化先验设计控制系统的瞬态与稳态性能。此外,在不需要对故障类型参数进行辨识前提下,所设计的低复杂度控制器能够实现对受控系统未知故障的容错控制。最后,进行了二阶机械臂的仿真验证,并将自适应容错预设性能控制方法与现有的鲁棒预设性能控制方法对比分析,仿真结果表明,自适应容错预设性能控制方法在应对系统执行器故障和不确定性干扰方面,控制系统的鲁棒性和追踪精度明显提高,验证了控制方法的优越性。(3)针对多输入多输出机械系统,在未知非线性模型和多源不确定干扰下,基于扩张状态观测器开展了鲁棒预设性能控制方法研究。首先,针对存在的多源干扰和系统未知非线性模型,设计了一个扩张状态观测器对受控系统内部结构不确定参数和多源干扰进行估计;其次,基于估计的结果,采用反步法设计了鲁棒补偿预设性能控制器,同时给出闭环控制系统稳定性证明。本文提出的方法融合扩张状态观测器和预设性能控制方法的优势,能够兼顾预设受控系统的控制性能和干扰抑制。最后,通过对双连杆机械臂系统关节角度稳定和跟踪控制仿真,验证了所提保性能的低复杂度抗干扰控制方法的有效性与鲁棒性。并通过与传统PD控制算法的仿真对比,验证了在多源干扰下,本文提出的鲁棒预设性能控制方法在计算复杂度与PD控制方法相当,但是在瞬态与稳态控制性能上更加优异。(4)针对多个不确定多输入多输出非线性机械系统,开展了一种不依赖系统模型的低复杂度分布式鲁棒预设性能控制方法。首先,给出了分布式机械系统的系统描述以及图论的相关知识,对主从式分布式结构下的广义位置误差进行性能包络设计。其次,在图论相关知识下,利用范数不等式技术和Lyapunov理论设计了不依赖系统模型的低复杂度分布式鲁棒预设性能控制器,给出了闭环控制系统稳定性证明。本文提出的分布式控制方案不需要对受控系统的未知动力学模型进行辨识,即所设计的分布式控制器复杂度低,且能够保障主从分布式跟踪控制的性能。最后,通过对多个机械臂系统关节角度的稳定和追踪控制的仿真,验证了所提方法在保障主从分布式系统追踪性能上的有效性。并通过与分布式PD控制方法进行仿真对比,表明了在相同的计算复杂度和控制输入下,所提出的分布式预设性能控制方法加快受控系统追踪误差收敛速度和提高追踪精度上具有显著优势。该论文有图68幅,参考文献154篇。