板球系统是经典的非线性运动控制系统,因其存在强非线性、强耦合性,对调节速度及超调量要求高等控制难点,被广泛用于控制方法有效性的验证及不同算法控制效果对比。连续搅拌釜系统(Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)是重要的化工过程控制系统,除了系统非线性问题外,还有部分状态不可直接测量,以及可能存在严重的噪声和干扰等控制问题。因此,两种系统的也一直是非线性控制领域研究的重要对象。回路传递函数恢复法(Loop Transfer Recovery,LTR)是在线性二次型调节器(Linear quadratic regulator,LQR)结合卡尔曼滤波器的基础上提出的一种结构简单,算法清晰且各项控制性能良好的控制方法。国内外文献有关LTR方法的研究主要集中于飞行器等运动控制系统的应用,存在着一定的局限性。本文在广泛查阅非线性控制方法文献的基础上,将线性LTR方法拓展至非线性控制领域,提出了一种设计简单鲁棒性良好的非线性DLUKF-LTR方法,一定程度上解决了板球系统(非线性运动控制)及CSTR系统(非线性过程控制)中存在的控制难题,取得了良好的控制效果。本文主要工作如下:首先,给出了有关控制研究理论基础,介绍了灵敏度函数的概念,阐述了卡尔曼滤波算法和LTR方法的基本原理及回路传递函数恢复的推导过程。其次,分别给出板球系统和CSTR系统数学模型的建立推导,并结合控制理论知识对两种系统进行了简要分析。再次,以板球系统为例,基于普通卡尔曼滤波器以及扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter,EKF),无迹卡尔曼滤波器(Unscented Kalman Filter,UKF),双层无迹卡尔曼滤波器(Double Layers Unscented Kalman Filter,DLUKF)设计了 LTR控制器,并通过仿真实验,分析了加权矩阵参数选择对控制效果的影响,同时对比了经典双闭环PID方法和线性LTR方法以及非线性LTR方法的控制效果,证明了基于DLUKF的非线性LTR控制效果最好。最后,针对丙二醇生产过程设计了基于EKF,UKF,DLUKF的状态估计器,对比了估计效果。随后针对放热反应模型设计了基于DLUKF的非线性LTR控制器,通过与经典PID控制器以及终端滑模控制器对比,证明了输入条件接近的情况下,本文提出的方法具有更好的控制效果,鲁棒性良好。