随着车辆新技术的不断引入和更新，汽车系统的控制自由度和耦合程度增加，工程中map标定的工作量和难度加大，为了降低控制系统的开发周期与成本，非线性控制方法在汽车电控系统中的应用已经成为研究方向，而计算量大、简化困难、实现成本高成为非线性方法广泛工程应用的瓶颈。围绕这样的汽车控制研究现状与挑战，本文以缸内直喷汽油发动机轨压控制问题为切入点，根据系统的特性以及算法工程实现的要求，提出了一种新的非线性控制系统设计方法-“三步法”，结合工程实现特点，制定基于map的三步法轨压控制律实现方案，通过硬件在环实验平台与发动机台架验证了该控制器的有效性。同时将三步法进一步应用于存在强非线性和参变特性的车辆换挡控制中。首先，针对工程实际问题―GDI发动机轨压控制，建立了高压油泵及油轨所组成的被控对象机理模型，并对系统存在的奇异点进行分析设计。同时对系统进行变量代换，基于Backstepping非线性方法考虑非奇异点处的轨压闭环控制器设计。为了验证控制器的有效性，搭建了详细的共轨系统仿真模型。经过不同工况下的仿真结果分析，表明所设计的轨压控制系统具有较好的跟踪性能，能够满足控制器设计要求。其次，针对backsteppig控制器工程实现困难的问题，提出了一种新的非线性控制系统设计方法–“三步法”，该方法能够得到“稳态控制-前馈控制-误差反馈控制”的控制律形式，结构清晰、物理意义明确，且控制器增益依赖于系统状态，能够对工况变化实现一定的自调节能力。为了给出三步法的设计思路，针对一般的一阶、二阶仿射非线性系统进行了详细的推导，并给出了系统闭环稳定性、鲁棒性及稳态误差等的理论分析。在此基础上，将三步法拓展于三阶级联、二阶多输入多输出非线性系统的设计中。然后，基于三步法控制理论重新设计了轨压跟踪控制器，通过考虑系统干扰、建模误差及参数不确定性等因素，在ISS理论框架下对闭环系统的鲁棒性进行了分析，并得到了控制器参数选取原则。通过在离线环境下进行多工况的闭环仿真，初步验证了所设计的轨压控制器的有效性。在此基础上，将三步法进行工程实现，给出了轨压控制系统验证策略和三步法轨压控制律的实现方案，其中包括控制器输出到轨压控制执行器动作的转化，稳态控制、参考动态前馈以及反馈控制增益的map实现等。结合项目合作单位-一汽技术中心的GDI发动机电控HiL系统及发动机实物台架测试环境进行了多组工况下的试验验证，试验结果表明了三步法轨压控制算法的工程可实现性和有效性。最后，针对动力总成中的非线性参变系统，应用三步法解决了双离合器式自动变速箱的换挡控制问题。建立面向控制任务的系统非线性模型，由于受发动机转速、节气门开度等因素影响，系统参数不断变化。提出了基于三步法的离合器转速差跟踪控制策略，设计过程表明三步法设计框架下系统参数的变化不影响系统控制律结构，且控制增益是参数-状态依赖的。基于整车仿真模型和换挡控制HiL平台对控制器的有效性进行验证，实验结果表明三步法控制器能够获得良好的换挡品质。本文从三步法的理论推导过程到将其应用于处理车辆动力总成系统的控制问题并工程实现的过程，充分验证了三步法控制器的有效性和工程可实现性。但仍然有大量研究工作还需进一步完成：1）将三步法扩展到更一般或其他形式的非线性控制系统设计中，进一步完善理论研究；2）进一步探讨三步法的工程应用实现方案，以及对工程map标定中的指导作用；3）围绕实车验证展开进一步试验研究。