化工行业在我国国民经济中一直占据重要地位,与其他行业相比,化工因生产过程复杂化等原因,使得化工生产过程中极易发生爆炸等重大事故,因此,针对化工过程的故障诊断技术研究具有重要价值。过程系统动态特性规律的科学规范表述对实现化工过程的故障诊断具有重要意义,需要研究者建立既能反映系统本质特性,又简洁、实用的数学模型。本文利用机理分析法分别对连续搅拌反应釜和二级化学反应器建立对应的系统模型,然后基于观测器方法研究系统的故障诊断问题。主要内容安排如下:首先,针对二级化学反应器系统,研究基于未知输入观测器（Unknown Input Observer,UIO）的故障检测问题。针对存在未知输入、参数不确定性和传感器故障的二级化学反应器系统,采用一种新的UIO作为残差产生器,将故障检测问题简化为模型匹配问题,利用Lyapunov函数方法,得到了在H∞性能指标下误差系统渐近稳定的充分条件,利用多目标优化技术和一种新性能指标,保证了故障检测的鲁棒性和灵敏度。其次,针对二级化学反应器系统,研究基于函数观测器（Functional Observer）方法的故障检测问题。针对存在外部扰动、参数不确定性、时滞、执行器故障的二级化学反应器系统,采用函数观测器作为残差产生器,通过相关约束,保证故障检测的鲁棒性,可以将外部干扰与误差动态系统完全解耦。利用Lyapunov-Krasovskii函数方法和线性矩阵不等式（Linear Matrix Inequalities,LMIs）技术,得到了保证故障检测鲁棒性的充分条件。然后,针对连续搅拌反应釜系统,研究基于delta算子方法的故障检测问题。针对存在未知输入、外部扰动和执行器故障的连续搅拌反应釜系统,基于UIO方法,采用模型依赖的平均驻留时间（Mode-dependent Average Dwell-time,MDADT）技术和模型依赖的Lyapunov函数技术,得到了保证在H∞性能指标下,误差系统渐近稳定的充分条件,给出了观测器UIO的具体设计方法,实现了系统故障检测目标。最后,针对二级化学反应器系统,研究基于delta算子方法的故障估计问题。针对具有时滞、外部干扰、非线性和执行器故障的二级化学反应器系统,采用比例积分观测器（Proportional-Integral Observer,PIO）作为状态估计器,提出了一种基于delta算子的执行器故障估计算法。利用Lyapunov-Krasovskii函数方法,得到了在H∞性能指标下,误差系统渐近稳定的充分条件,给出了观测器PIO的具体设计方法,实现了系统故障估计目标。