许多实际系统都能用非线性方法精确描述，非线性控制方法可以对用非线性系统描述的实际系统进行更好的控制。针对非线性控制器间接设计法存在的主要问题，本文重点研究基于线性状态依赖系统的控制器直接设计方法，提出了两类既能保证系统稳定性又提高系统性能的非线性控制器直接设计方法，并将其应用到卫星姿态控制器设计中，研究卫星姿态控制中的最优姿态跟踪问题、干扰抑制问题和带活动部件的卫星姿态控制等问题。本文的主要研究内容有以下几个方面：　　研究了基于线性状态依赖系统的非线性多项式系统分析和综合方法。首先给出了线性状态依赖系统基于SOS的二次稳定性和指数稳定性的判定方法，并给出了线性状态依赖系统基于SOS的二次可镇定性和二次可观测性的判定方法；接着，给出了线性状态依赖系统基于SOS的跟踪性能和诱导2L范数性能等两种性能分析，最后，对于给定的用线性状态依赖系统表示的多项式非线性系统，提出了两种基于状态估计器和卡尔曼滤波器的状态反馈镇定控制器直接设计方法。　　研究了两种最优跟踪性能的非线性控制器直接设计法。首先，对于给定的用线性状态依赖系统表示的多项式非线性系统，给出了卡尔曼滤波器和状态估计器设计方法；在此基础上，应用分离设计原则，给出了一种基于状态估计器的最优跟踪性能状态反馈控制器直接设计方法，和一种基于卡尔曼滤波器的最优跟踪性能状态反馈控制器直接设计方法。最后，将卫星姿态动力学方程和用四元数组成的卫星运动学方程表示的卫星姿态运动方程化成线性状态依赖系统，应用所设计的最优跟踪性能的控制器设计卫星姿态控制系统，尝试解决卫星姿态机动过程中的最优姿态跟踪问题，数值仿真验证了所设计最优跟踪性能控制器的有效性和可行性。　　提出了一种诱导2L范数性能控制器直接设计法。首先，对于给定的用线性状态依赖系统表示的多项式非线性系统，采用卡尔曼滤波器来估计系统的状态；然后，针对状态依赖的多项式非线性系统的110D=和110D≠两种情况分别设计满足诱导2L范数性能的非线性控制器，设计出的控制器既能保证系统稳定，又能保证从干扰信号到跟踪误差信号的诱导2L范数不超过某一预先给定值γ，实现了系统稳定基础上的干扰抑制功能和ADD功能；最后，对于用线性状态依赖系统表示的卫星姿态运动方程，将诱导2L范数性能控制器设计方法应用到卫星姿态控制中，对其干扰抑制问题进行研究，数值仿真验证了所设计诱导2L范数性能控制器的有效性和可行性。　　提出了应用最优跟踪性能控制器和诱导2L范数性能控制器对带活动部件的卫星进行姿态控制的设计方法。首先，将活动部件对卫星姿态控制系统的耦合当作外部干扰，提出将带活动部件的卫星姿态运动动力学方程和卫星姿态运动学方程化为一个线性状态依赖系统；然后，应用上述的控制器设计方法，对带活动部件的卫星分别设计最优跟踪性能姿态控制器和诱导2L范数性能姿态控制器；为了简化控制器的求解，针对控制器求解过程中需要对两个矩阵变量同时求凸优化的问题，给出了对两个矩阵变量分别求凸优化的求解方法；最后，数值仿真验证了所设计最优跟踪性能控制器和诱导2L范数性能控制器的有效性和可行性。