随着行业的发展,机械系统需在提升性能的同时降低控制代价以满足日益复杂的工作条件,这对控制器设计和参数优化等工作提出了更高的要求。在限制控制效果的诸多因素中,不确定性对系统性能和控制代价均有显著影响,近年来受到了学术界的广泛关注。随之提出了许多相关的方法和理论,但仍有以下关键问题有待深入探索:（1）由于不确定性的存在,机械系统会出现超调或抖动等现象,导致系统输出和控制输入过大,为此应考虑二者的边界问题,限制输出与输入值,进而提升系统性能并降低控制代价;（2）对于未知的不确定性,传统的数学或物理模型难以反映其本质,导致控制器无法准确地进行补偿,因此找到一种能够正确描述不确定性的方法是提高系统性能的关键问题之一;（3）面对复杂的工作环境,多变的不确定性使控制要求不断改变,所以机械系统的控制器应具有权衡系统性能和控制代价的能力,兼具鲁棒性与实用性。针对以上难点,控制方法一方面应准确描述与补偿不确定性,另一方面要高效地求解不同情况下的最优控制参数值。围绕不确定性这一核心问题,本文通过仿真和实验探索其对机械系统的影响,并根据理论推导和数学证明分别给出有关系统输出和控制输入界限设置、高精度控制器设计以及控制参数优化的过程,形成了一套完整的控制方法。该方法的主要内容包括:（1）针对不确定性导致系统输出和控制输入过大的现象,基于微分同胚变换原理设置边界范围;（2）针对传统不确定性问题处理方式的局限性,基于模糊集理论建立精确的机械系统模糊动力学模型;（3）针对控制代价与控制效果不理想的问题,基于Lyapunov理论设计新型鲁棒控制器;（4）针对复杂优化问题中控制参数求解效率低的缺点,基于博弈论构建控制参数优化问题的分类与求解方法;（5）针对不同实际情况下的控制要求,基于不同的复杂机械系统进行实验验证。具体研究成果如下:（1）为降低不确定性的影响,通过施加与处理不等式约束的方式,实现机械系统边界设置的目的。首先是基于微分同胚变换原理,提出了一种基于构造辅助函数实现设置输入边界的方法（简称CIDA）,将输入值严格地限制在给定的上下界之间。然后是针对受约束的系统输出提出了状态转换方法（简称STA）,将其转换为无约束的形式,进而将系统输出的最大值限制在所需的范围内。最后是通过仿真验证了上述方法的有效性。（2）为深入研究不确定性,重点分析了机械系统中的不确定性部分以及其影响。首先是基于模糊集理论提出了一种描述时变但有界的不确定性方法,利用发生程度的概念反映不确定性对机械系统的影响程度。然后是结合该方法和匹配条件,分离出机械系统动力学模型中的不确定性,进而得到系统的不确定部分和不包含不确定性的名义部分。不确定部分作为研究重点,在模糊思想下被认为属于相应的模糊集合,同时不确定性的界被视为模糊数,提供了一种表征不确定性本质的新方法。（3）为改善控制效果,提升控制算法的实用性,设计了一种针对模糊动力学模型的高阶鲁棒控制器（简称HORC）。通过Lyapunov方法,证明了该控制器可以精确地补偿基于模糊方法描述的不确定性,保证机械系统的一致有界性和一致最终有界性。与传统的鲁棒控制器相比,该控制设计有三个主要优点:一,该控制器中的所有矩阵和参数都是确定的,提高了计算效率;二,控制器中的高阶项可快速稳定机械系统,提高了收敛速度。三,控制参数的可调特性为平衡系统性能和控制代价提供了可能。此外,通过仿真验证了高阶鲁棒控制器的理论分析结果,同时明确了控制器参数对系统性能和控制代价的影响方式,为优化问题的提出奠定基础。（4）为平衡不确定性机械系统的性能和控制代价间的矛盾,深入研究了高阶鲁棒控制器中的可调参数、系统性能以及控制代价之间的关系,并设计了基于博弈论的控制参数优化问题分类与求解方法（简称GTOA）。首先是定义博弈游戏中的玩家和决策集合,提出了与系统性能和控制代价有关的两个成本函数。然后是给出博弈逻辑的数学表达式和求解帕累托最优点、纳什均衡点以及顺序最优点的步骤。最后是通过仿真得到不同最优值下机械系统的累计输出误差和累计控制输入,并与LQR控制下的相关结果进行对比。仿真结果表明,基于Stackelberg博弈方法求解的最优控制参数可以在最大限度提升系统性能的同时,降低控制代价,证明了优化问题分类与求解方法的有效性。（5）为验证控制方法,搭建永磁同步旋转电机（简称PMSM）与协作机器人实验平台,并设计与开展了多组对比实验。实验结果表明,基于最优控制参数的控制方法可以解决不确定性机械系统的边界问题,并用较小的控制代价提升系统性能,达到预期的控制要求和研究目标。总而言之,本研究针对不确定性机械系统的性能与控制代价,基于严格的数学推导与证明过程提出了一套完整的控制方法。同时通过多组仿真与实验,验证上述理论方法能够满足复杂环境中对研究对象的严格控制要求,解决了实际的工程问题。综上所述,本文提供了一套有理论支撑的、完整且普适的不确定性机械系统控制方法。