随着工业系统复杂度和现代生产规模不断增加,如何能够提高控制系统可靠性及其安全性这个问题越来越受到学者们的关注。而故障诊断为解决这个问题呈现了一种新的有效方法。其中基于解析模型的方法是应用最多的,且诊断效果良好,目前这种方法主要是针对线性系统,而对于非线性系统尚未形成统一有效的理论。由于实际系统都存在非线性,因此,基于解析模型的故障诊断方法在非线性系统上的应用研究成为了当前研究的难点和热点。本文按照发生位置的不同对故障进行划分,将其分为过程动态故障、执行器故障和传感器故障,这三大类故障几乎涵盖了系统中可能发生的所有故障。本文主要围绕非线性系统的这三大类故障进行基于解析模型的故障诊断方法研究,同时提出了非线性系统执行器和传感器的复合故障诊断策略。为提高诊断系统的可靠性,对所提出的故障诊断方法进行了简要的鲁棒性分析,并对这些方法应用于航天器控制系统进行了初步探索。对于非线性系统过程动态故障,提出了基于扩展状态观测器的故障诊断方法。首先将非线性系统通过坐标变换转换为三角形式的系统,设计扩展状态观测器估计变换后系统的状态,以及非线性项和不确定因素两者的总和。然后根据系统状态的估计值和系统结构,选取一定的控制量对系统进行动态补偿线性化,把非线性系统的故障诊断转化为线性系统的故障诊断问题。再对线性化系统设计故障检测滤波器和选取合适的阈值。该方法不仅能够完成故障检测任务,还能给出故障与残差之间明确的关系,有效地实现故障诊断。对于非线性系统执行器故障、传感器故障以及执行器和传感器的复合故障,提出了基于自适应观测器的故障诊断方法。分别用状态方程中的未知参数、输出方程中的未知参数来表征执行器故障和传感器故障。利用微分同胚变换将仿射非线性系统映射到新的坐标系,在高增益观测器的基础上,通过假设状态估计误差和参数估计误差、参数估计误差的导数和残差的两组线性组合关系,在保证误差和残差收敛性前提下,设计出自适应观测器,并推导出参数估计算法,实现系统状态和参数故障的联合估计。利用坐标变换的可逆性,可将该方法直接应用于一般形式的仿射非线性系统。对基于自适应观测器的故障诊断方法进行了鲁棒性分析,采用阈值门限法,设定了诊断逻辑。在假设干扰有界的基础上,给出了门限值。将该方法应用到航天器控制系统中,对点质量卫星系统的执行器和传感器的单一故障分别进行了仿真验证,结果验证了方法的可行性、有效性。