在过去的十多年间,线性和非线性系统的分层控制问题已有相当多的研究。简单来说,这个问题是为一个复杂系统设计一个控制律以使得其输出轨迹满足一些渐近性质和一些输出要求,例如区域可达性,区域不变性以及避障等。由于系统动态的复杂性和控制目标的多样性,通常直接进行系统控制以实现控制目标是非常困难的。而分层方法以一种间接的方式来解决这个问题。它通过构建一个简单系统得到一个层次结构。位于低层的是我们最终需要控制的原始系统,而高层系统包括了一个简单的抽象系统,用来简化控制器设计并减少复杂性。两层系统被所谓的接口连接起来。接口可以驱动原始系统的输出近似跟踪到高层抽象系统的输出。当抽象系统达到控制目标时,原始系统也可以达到相应的目标。另外,一个称为模拟函数的概念可以用来帮助我们设计系统接口。分层控制理论已经应用于一些研究领域,包括机器人学、机械电子学、多智能体系统等。本论文主要研究非线性原始系统和线性抽象系统之间的接口设计。主要研究内容包括以下几个方面。首先,我们赋予了接口概念新的含义。在之前的工作中,接口为接口函数的简称,它假设原始系统的所有状态信息是可得的。具有输出反馈形式或者包含有一个微分方程的分层控制器从未被考虑过。为了将这种情况纳入考虑范围,我们引入了接口动态的概念。接口不仅仅意味着接口函数,同时也是指接口动态。在这个设定下,我们可以在一个框架下设计状态反馈控制器和输出反馈控制器。另外,我们重新表述了分层控制问题。原来的表述只考虑了输出误差的瞬态响应,现在我们将一些稳态约束也加入这个问题,使得它在一定程度上包含了渐近跟踪问题。其次,我们为线性系统设计了两类接口:接口函数和接口动态。对于线性系统,我们构造了一个抽象系统使得我们能基于抽象系统的反馈增益来得到一个新的接口函数,并且能以一个低阶的正定矩阵表征新的模拟函数。换句话说,解决分层控制问题时我们需要的仅仅是抽象系统的信息而不是原始系统的信息,很明显,前者比后者更容易得到。至于输出反馈分层控制问题,我们使用状态观测器设计了一个接口动态。然后,对于一般的非线性系统,我们用反馈线性化方法设计了一个接口函数。由于在实际情况下,系统内动态部分状态经常是不可得的,所以我们设计了一个只使用系统输出及其各阶导数的接口函数。同时,对于一类非线性系统,我们通过高增益观测器实现了一个只利用输出信息的接口动态,其中观测器用来产生系统输出的导数的估计值。随后,我们用一个单链机械臂系统的例子说明了所提出方法的有效性。至于含有不确定性参数的对象模型,其分层控制问题尚无研究。本文借助于输出调节领域的内模概念,通过递归过程得到了一个鲁棒型的输出接口动态,其中内模的作用是渐近重构控制器中的前馈项。然后我们又设计了一个自适应型的接口动态。最后,我们讨论了大型网络控制系统的分层问题。作为一个传统模拟函数的自然扩展,我们引入向量模拟函数的概念来研究互联系统之间的层次关系。通过构造一个比较系统,我们给出了关于这个问题的一个一般结论。当我们考虑一类互联非线性系统时,一个易检验的充分条件可以用来判断分层关系。最后基于这个条件,我们对线性互联系统提出了一个抽象系统构造方法。