在设计非线性系统的控制方案时,死区、齿隙、摩擦和未知非线性环节等均会对闭环输出信号的跟踪效果产生负面影响,主要表现为齿隙在某一时间段内的发生的力矩时滞,进而导致系统对参考信号的跟踪误差以及齿轮做换向运动时因冲击而产生的扰动信号。因此,如何利用自抗扰控制、滑模控制等先进控制方法对非线性环节补偿抑制进而提高系统的瞬态和稳态性能一直是控制研究的热点之一。本文首先对死区和齿隙非线性之间的关系进行分析并重点介绍了目前三种常用的齿隙模型和各自特征、应用场景等,分析了如何实现含齿隙伺服系统对参考信号的精确快速跟踪。自抗扰控制中的扩张状态观测器能够对“总扰动”实时观测反馈,针对伺服系统的结构特点相应的对扩张状态观测器进行改进、利用神经网络对系统状态和未知扰动信号实时拟合,最后设计自抗扰结构下的变增益观测器、自适应滑模控制器等,通过理论分析与仿真实验证明其稳定性与有效性。1.本文推导出一种基于扩张状态观测器进行改进的变增益切换精确微分观测器（SEDO）,用于处理未知齿隙的机械伺服系统状态估计问题。为了精确补偿未知齿隙扰动,建立了切换齿隙力矩数学模型来描述齿隙的输入输出关系。然后,在切换齿隙力矩数学模型的基础上,设计了一种基于变增益策略的切换齿隙补偿控制方案,并根据实际工况的变化准确估计系统状态。此外,所设计的控制器通过前馈补偿策略进一步减轻了计算负担,部分前馈补偿任务由观测器共担。证明了闭环系统中所有信号都是有界的,观测误差和跟踪误差收敛到原点周围一个足够小的紧集上。2.针对存在齿隙非线性影响控制性能的伺服系统,设计了基于扩张状态观测器的自适应滑模控制方案。分析了齿隙、摩擦非线性环节,并将其转化为系统扰动进而建立积分器串联型系统结构。构造了一种结合fal非线性函数的改进滑模面方案,能够在加速系统状态趋于稳定的同时减少抖振现象。为了实现对伺服系统的精确控制,设计了在线估计未知非线性的自适应权值调节律,无需预先获取系统信息而是通过自适应律进行估计。通过稳定性证明和仿真实验说明了该控制方案对抑制伺服系统中齿隙非线性等产生的负面影响具有更好的效果。