自抗扰控制器是一种不依赖于被控对象模型的非线性控制器，其控制方法是通过非线性扩张状态观测器观测不确定时变扰动并进行补偿，进而使用非线性PD控制器进行闭环控制，整体控制结构有较强的抗扰性能和鲁棒性。但是，自抗扰控制器参数较多，整定复杂，稳定性不易保证，控制性能和参数间的关系不够明确等一系列问题限制了自抗扰控制技术的广泛应用。因此本文以提升自抗扰控制器性能为目的，对自抗扰控制器各组成部分进行了深入分析，并给出了相应的优化设计方法，具体内容包括以下几部分：首先，以三阶非线性扩张状态观测器为主要分析对象，根据非线性函数的特点，构造了特殊形式的Lyapunov函数矩阵，推导得出了扩张状态观测器渐近稳定的一个充分条件，并通过仿真进行了验证；在此基础上，采用系数冻结法和极点配置方法对扩张状态观测器的频带进行了拓展。深入分析了配置后的极点随非线性系数的变化规律，进而提出了一种保证扰动观测带宽受系统状态变化影响最小的参数优化配置方法。对比仿真充分说明了这种参数配置方法的有效性和优越性.然后，对自抗扰控制所使用的非线性反馈函数特点进行了分析，提出了提高其控制能力的改进方法；对改进后非线性PD控制器的稳定性进行了分析，给出了其在Lyapunov意义下稳定的判定条件。在此基础上，应用极点配置给出了相应的优化设计方法；最终对各组成部分设计方法进行了总结，给出了一套完整的自抗扰控制器优化设计方法和步骤。最后，研究了所提出的优化设计方法在伺服系统中的应用问题。建立同步交流电机伺服系统数学模型，分析其扰动特点，再结合指标要求，按照所提设计步骤和方法，对扩张状态观测器和非线性PD控制器进行了优化设计。最终通过试验验证了设计方法的有效性和相对于传统设计方法的优越性。