随着科学技术的发展，实际工程中的控制对象日益复杂，对控制性能的要求也越来越高。本文以工程中较为常见的死区、间隙、迟滞三种典型的三明治系统为研究对象，构造了一种新的切换比例积分观测器并对其状态和故障同时进行估计。进一步，当实际系统中的输出传感器存在噪声时，本文设计了一种鲁棒观测器并对其状态和故障进行估计，创造性的将鲁棒观测器增益矩阵的求解问题转化为优化问题。主要内容如下：　　1、本文根据死区、间隙、迟滞三种非线性环节之间的关系，从简到繁依次构建了能准确描述死区三明治系统、间隙三明治系统、迟滞三明治系统的状态空间方程。　　2、在已构建的非光滑状态空间方程的基础上，本文提出了能随系统工作区间变化而切换的比例积分观测器。在不考虑测量噪声的情况下，通过仿真实例，对比切换比例积分观测器和传统观测器同时估计系统状态及故障的效果，说明了切换比例积分观测器的有效性和优良性。　　3、根据已建立的迟滞三明治系统状态空间方程和切换比例积分观测器，本文分析了系统的状态和故障估计误差，提出了观测器收敛性定理，并给出了该定理的证明过程。　　4、为了抑制噪声对状态和故障估计的影响，本文设计了鲁棒观测器，同时估计了系统的状态和故障。将求解鲁棒观测器增益矩阵问题转化为一个优化问题，给出了具体的优化算法。在考虑系统测量噪声的情况下，对鲁棒观测器和非鲁棒观测器同时估计系统的状态和故障进行了仿真。从仿真结果可知鲁棒观测器要优于非鲁棒观测器。