控制設計的目標可以敘述如下：對於給定的被控物理系統和系統期望性態的規範，構造反饋控制規律，使得系統呈現出期望的性態。
兩類基本的非線性控制問題：非線性調節和非線性跟蹤；
非線性控制所期望的性態；
構造非線性控制器的基本問題；
可利用的非線性控制器設計方法。
1.1. 鎮定問題
漸近鎮定問題：給定由方程
描述的非線性動力系統，尋找控制規律
，使得系統從
中某個區域內出發的任意點出發，當
時，狀態
。1.2. 跟蹤問題
漸近跟蹤問題：給定非線性動力系統
和期望的輸出軌線
，尋找控制規律
，使得系 統從某個領域
內任意點出發，整個狀態保持有界的同時，跟蹤誤差
趨於零。
1.3. 鎮定問題與跟蹤問題之間的關係
通常，跟蹤問題比鎮定問題更難解決，因為在跟蹤問題中，控制器不僅要鎮定整個狀態變數，還要使得系統的輸出跟蹤期望輸出。但是，從理論的角度看，跟蹤設計和鎮定設計通常是相關的。比如說，我們要給下面的系統設計控制器：
使得 趨於零，這個問題等價於漸近鎮定系統
其中，
和 是該系統的狀態分量。很明顯，如果我們知道如何設計上述非自治系統的鎮定器，那麼跟蹤設計問題也就解決了。
另一方面，鎮定問題可以看作跟蹤問題的特殊情形，即期望的軌線為常值的情形。比如在模型參考控制中，通過將參考模型與濾波器結合，過濾掉提供的設定點並且產生時變輸出作為跟蹤控制系統的理想響應，就可以將設定點調節問題轉化為跟蹤問題。
因此，對於非線性系統，我們通常尋找期望性態在感興趣的工作區域內的定性規定。在確定這種規定是否合適時，計算機**時分析工具的一種重要補充。關於非線性控制系統的期望性態，設計者通常要考慮下面性質：
穩定性：不論是區域性還是全域性情形，必須保證標稱系統（用於設計的模型）的穩定性。穩定域和收斂域也是應當考慮的。
響應的精度和速度：在工作區域內對某些「典型」的運動軌線的響應精度和速度是應當考慮的。對於一些非線性系統，適當地設計控制器可以保證跟蹤精度與期望軌線無關。
魯棒性：指的是對設計中沒有考慮到的因素的敏感度，如干擾、量測雜訊、未建模動態等。在執行任務時，系統應當能夠抵擋這些被忽略因素的影響。
代價：控制系統的代價主要由控制執行中所必需的執行器、感測器以及計算機的個數和型號來決定。所選擇的執行器、感測器和控制器的複雜程度（影響計算需要的）應當與特殊的應用相適應。
（1）控制器設計步驟
給定乙個需要控制的物理系統，可以通過下面幾個標準的步驟來設計（可能需要迴圈進行這些步驟）：
1）指定系統的期望性態，並選擇執行器和感測器；
2）用一組微分方程對物理系統建模；
3）對系統設計控制規律；
4）對所得控制系統進行分析和**；
5）用硬體實現控制系統。
（2）非線性系統建模
建模基本上是對乙個被控物理系統建立數學描述（通常是一組微分方程）的過程。關於建模，有兩點需要指出：首先，應當在對被控系統和控制目標有乙個好的了解的基礎上，得到易於處理卻比較精確的模型。注意：並非模型越精確越好，因為，精確的模型需要一些不必要的複雜控制設計和分析，並且需要更複雜的計算。關鍵是要在感興趣的工作區域內保持動態系統「本質」的部分而拋棄不重要的因素。第二，建模不僅僅是得到物理系統的標稱模型：它應當提供模型不確定性的特性，以便進行魯棒設計、自適應設計或**。
模型不確定性是模型和實際物理系統之間的差距。引數的不確定性稱為引數不確定性，其他的不確定性稱為非引數不確定性。例如，對於乙個被控物體的模型
其中，
的不確定性就是引數不確定性，而被忽略的電動機狀態、量測雜訊、感測器動態屬於非引數不確定性。引數不確定性的性質比較容易表徵，比如，
可以確認在 2kg 和 5kg 之間。非線性系統未建模動態的表徵通常要困難一些，這與線性控制系統不同（線性控制系統能夠系統地應用頻域來表徵）。
（3）反饋和前饋
漸近跟蹤控制問題總是需要前饋來提供使得系統具有所預期的動作所需要的推動力。有趣的是，許多跟蹤控制器可以寫成：
或類似的形式。前饋部分用來提供跟蹤指定運動軌線所需要的輸入以及抵消已知干擾的影響。反饋部分用來鎮定跟蹤誤差動態。
（1）試探法
基本思想：是利用分析工具來指導對可以根據分析和**結果來證實的控制器的研究。相平面方法、描述函式方法和李雅普諾夫方法都可以實現這種目的。在這個過程中，經驗和直覺是關鍵的。但是，對於複雜系統而言，試探法經常失效。
（2）反饋線性化
基本思想：首先將非線性系統（完全或部分地）化為線性系統，然後，用我們熟悉的線性系統設計方法完成控制器設計。它用於幾類重要的非線性系統（所謂的可輸入輸出線性化或最小相位系統），通常要求全狀態可量測。但是當面臨引數不確定性和干擾時，這種方法不能保證魯棒性。
（3）魯棒控制
在純粹基於模型的非線性控制（如基本的反饋線性化方法）中，控制規律是基於標準物理模型設計出來的。在設計階段，我們不清楚當存在模型不確定性時系統的性態會怎樣。另一方面，在魯棒非線性控制（如滑模控制）中，控制器的設計同時考慮了標稱模型和一些模型不確定性（比如，機械人所要舉起的負荷在 2~10kg 之間）。在不同的實際控制問題中，魯棒非線性控制方法被證明是非常有效的。它最適用於特定的系統中，且通常要求有狀態量測。
（4）自適應控制
自適應控制是一種處理不確定系統或時變系統的方法。儘管「自適應」一詞有很多意思，但是目前自適應控制主要用於動態結構已知但有位置常數或時變引數的系統。不論對線性系統還是非線性系統設計的自適應控制器，本質上都是非線性的。
對於線性系統，存在系統的自適應控制理論。現有的自適應控制理論也可以用來處理一些重要的非線性系統——狀態可量測系統和可線性引數化系統。對於非線性系統來說，自適應控制可以看作非線性魯棒控制的另一種方法或補充，並且它可以和魯棒控制方法有效地結合起來。儘管大多數自適應控制結果都是針對單輸入-單輸出系統，但是它也被成功地應用於一些重要的多輸入非線性物理系統。
（5）增益排程
增益排程法是一種試圖用成熟的線性系統控制技術去控制非線性的方法。這種方法最初**於飛機軌線控制。增益排程法的思想是選擇分布在系統工作範圍內的一組工作點，然後對任意乙個工作點，求出其時不變線性近似系統，對每個線性近似系統設計乙個線性控制器。在工作點之間，補償器的引數用差值法（或稱為排程法）確定，這樣就得到乙個全域性的補償器。這種方法的主要問題是缺乏保證非線性情形的穩定性的理論，只是用不精確的描述，如「排程的變數應當變化很慢」、「排程的變數應當反映系統的非線性特性」等，另乙個問題是增益排程設計中遇到的計算負擔，這是由於必須計算很多線性控制器的緣故。
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