多刚体系统作为一类典型的力学系统,在机械,车辆、机器人及飞行器等诸多领域具有广泛的应用。多刚体系统结构复杂,在许多实际应用中存在模型不确定性、未知的外界干扰及作动器饱和等约束,且具有强非线性和强耦合性等特点。此外,由于空间和成本的约束,难以在多刚体系统的每个需测量部位安装合适的传感器以获取系统的状态,而现有的控制方法多基于状态反馈,且存在控制器结构复杂,参数整定困难,实际控制精度难以保证等不足。本文针对多刚体系统的鲁棒跟踪控制问题,为消除建模、测量和作动能力受限条件下多刚体系统动态模型中的不确定性分量和控制输入约束对其运动精确性的影响,从不确定性分量估计与补偿、状态观测器设计,结构简单、参数易整定的高精度鲁棒跟踪控制器设计,以及稳定性推导等方面开展研究工作,其对于械臂车间作业、空间机器人卫星维护工作、载体自主运动等领域有广泛应用前景。本文提出了基于干扰和状态估计的鲁棒控制理论方法,利用干扰的估计与补偿,状态的估计与替换,并与控制器设计相结合,实现了多刚体系统的高精度轨迹跟踪,并通过多刚体系统实验平台对所提控制方案的有效性进行了验证,实验结果表明,本文提出的基于估计数据的鲁棒控制方法具有较好的稳态跟踪精度和瞬态性能。本文的主要贡献和创新性总结如下:（1）研究了基于比例-微分（proportional-derivative,PD）控制器与不确定和干扰估计器（uncertainty and disturbance estimator,UDE）的比例-积分-微分（proportionalintegral-derivative,PID）控制设计方案,简化了PID控制器的调参,实现了单参数调节系统跟踪误差最终界。在此基础上,考虑了无速率测量的多刚体系统的鲁棒跟踪控制问题,对UDE进行了改进设计,将其扩展到输出反馈情况。提出了一个简单的反馈控制方案,该方案包括一个改进的龙伯格状态观测器（Luenberger state observer,LSO）来估计系统状态和一个改进的UDE来估计系统集总输入干扰。该方案的新颖之处在于引入了LSO和UDE之间的相互耦合,以提高估计和控制精度。利用所设计的线性非奇异状态变换和巧妙的参数映射,简化了闭环系统的性能分析。通过奇异摄动理论,得到一个简单的稳定条件和单参数调优方法,以减小稳态估计误差和跟踪误差。最后,通过数值仿真和在三自由度（3-degree-of-freedom,3-DOF）直升机平台上的实验验证,证明了相互耦合效应带来的性能提升,以及参数调节方法的有效性。（2）研究了状态测量受限的n-DOF多刚体系统的鲁棒输出反馈跟踪控制。设计了一种改进的扩张高增益观测器（extended high gain observer,EHGO）来估计不可测得的系统状态以及不确定性和干扰。提出了一种结合改进的EHGO和连续PID-滑模控制（sliding mode control,SMC）策略的新型控制方案。改善了闭环系统的瞬态响应性能,同时保证了估计与跟踪的稳态精度。采用Lyapunov稳定性方法证明了EHGO的有效性。此外,通过奇异摄动理论证了闭环系统的稳定性和收敛性。数值仿真和实验结果验证了所提出的控制方案的性能优势。（3）针对一类受模型不确定性、外部干扰和输入饱和约束的单输入-单输出（single-input single-output,SISO）高阶多刚体系统,提出了一种新型的有限时间鲁棒跟踪控制方案。设计了一种基于障碍函数的干扰观测器（barrier function-based disturbance observer,BFDO）来估计系统的非平滑非线性复合干扰,且具有有限时间收敛性能。此外,基于障碍函数和BFDO,设计了一种自适应连续非奇异终端滑模控制（continuous nonsingular terminal sliding mode control,CNTSMC）策略。证明了闭环系统的Lyapunov稳定性和有限时间收敛性。通过数值仿真和与现有控制方法的比较,显示了所提出的控制方案的有效性和性能优势。本文的研究成果有助于解决多刚体系统的高精度鲁棒跟踪控制问题,对基于干扰和状态的估计、结构简单,参数易整定的鲁棒跟踪控制器设计与开发具有一定的指导意义。