在实际控制系统设计问题中,不可避免地会受到模型参数摄动、未建模动态、系统状态间耦合、未知外界扰动等因素的影响,这些因素会使系统的控制精度下降、鲁棒性变差甚至导致系统不稳定,给控制系统的设计及应用带来了很大挑战。因此,高性能的鲁棒抗干扰控制策略是控制领域永恒的研究课题。基于观测器的控制是一种有效的抗干扰控制理论框架,该方法以观测器作为控制系统内环,利用被控对象的输入、输出信息对系统模型不确定性进行估计,并在外环控制器中进行补偿,从而保证闭环系统的控制品质。在现有的多种观测器中,干扰观测器(Disturbance Observer,DOB)和扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)得到了系统、全面的研究和应用。上述两种观测器设计方法都能够有效解决抗干扰控制问题,但二者分别基于不同的理论体系进行分析和设计,对于二者之间的联系、区别和性能差异进行分析是十分重要的。因此,本文首先针对DOB和ESO在三类系统中的分析和设计进行研究,在上述工作基础上,对二者的抗扰结构和性能差异进行对比研究,从而对如何面向不同类型被控对象和控制任务进行观测器选择给出指导意见。本文的主要研究工作和创新点包括:(1)针对同时包含时滞和右半复平面零点的非最小相位系统,提出一种系统性的鲁棒DOB设计与参数优化方法。考虑闭环系统的内部稳定性、扰动抑制性能、相对阶次、混合灵敏度性能等设计指标,建立基于H∞范数的Q滤波器优化方程。通过回路变换,将Q滤波器优化问题转化为H∞控制器求解问题,并在虚拟被控对象中引入包含标称模型右半复平面零点的全通传递函数,使得优化得到的Q滤波器满足内部稳定性的约束条件。(2)针对状态可测的非线性系统,提出一种基于鲁棒DOB的干扰抑制控制方法,并研究相应的参数优化策略。设计包含部分反馈线性化补偿器和低通滤波器的DOB,并在此基础上设计外环反步控制器。分析了外环控制器结构、参数对内环观测器参数优化的影响,给出保证系统鲁棒性的约束条件,进而基于H∞理论对DOB的参数进行优化。以飞行器姿态跟踪控制问题为例,对提出控制方法的有效性进行实验验证。(3)针对状态不可测的非线性系统,提出一种广义ESO设计方法。对传统ESO的干扰抑制性能进行分析,揭示系统重构策略的本质。在对系统等效扰动模态进行分析的基础上对系统进行重构,最大限度地利用等效扰动的先验信息,降低系统模型的不确定性。基于重构系统设计的广义ESO能够对等效扰动中已知模态的分量实现完全地估计和补偿。最后,基于Lyapunov理论分析闭环系统的稳定性。(4)观测器对于扰动的估计效果决定了整个闭环系统的性能,因此,研究观测器的抗扰结构,对DOB和ESO的抗扰结构进行统一分析,从而将观测器设计问题转化为抗扰结构中等效低通滤波器的结构设计与参数优化问题。在此基础上,针对不同类型被控对象和控制任务,分别对两种控制策略的性能进行对比研究,归纳总结了两种控制策略的差异,从而对观测器选择给出指导意见。