考慮到發電機是一個非線性強、工況多變的復雜對象，要想提高勵磁系統的控制品質和魯棒性能，有效措施是采用非線性控制理論和方法。隨著非線性控制理論的不斷發展，在電力系統控制中的應用越來越廣泛，各種非線性勵磁控制也迅速發展起來，主要有以下幾種勵磁控制方法：
（1）李雅普諾夫函數法。該方法以李雅普諾夫第二穩定性理論為基礎，通過構造能反映機組運行規律的李雅普諾夫函數，并以其作為最小目標設計控制律。該方法直接考慮了勵磁系統的非線性特性，原理簡單，易于掌握，然而具體設計中的李雅普諾夫函數不易得到，在工程應用中面臨著限制。
（2）反饋線性化法。反饋線性化法包括微分幾何法、直接大范圍線性化和逆系統方法等若干種設計手段。微分幾何法利用微分幾何這個數學工具，通過合理的坐標變換找到非線性反饋規律，引入虛擬控制量將非線性系統映射為一個線性系統，適合于仿射非線性系統。
（3）H∞勵磁控制：該控制方法是一種綜合考慮控制系統的魯棒性和目標函數最優的控制方法，以某運行區問的性能指標為目標函數，設計的參數具有更低的靈敏度，控制器具有較強的魯棒性能。
（4）變結構勵磁控制：變結構控制魯棒性強，通過滑動模態切換控制，強制系統在滑面上運行以使系統鎮定。基于平衡點處近似線性化模型設計了VSC勵磁控制器，該控制器具有一定的魯棒性能，但平衡點處近似線性化模型決定了它不能從根本上解決電力系統控制器的魯棒性問題，采用基于反饋線性化模型的非線性變結構勵磁控制，并采用附加勵磁的控制方式，提出了同時改善發電機功角穩定和電壓動態特性的變結構勵磁控制設計方法。
（5）自適應勵磁控制：自適應控制通過連續測量控制對象的動態特性，與所希望的動態特性相比較，從而判斷勵磁系統運行狀態并選擇預設的控制參數，該方法能有效地解決勵磁控制器對運行工況變化的魯棒性問題，控制性能較好。
（6）智能勵磁控制方法：隨著智能控制理論與方法的不斷發展，以模糊邏輯控、神經網絡控、專家系統控制為代表的智能控制方法在電力系統中得到了廣泛的研究和應用，已成為控制領域最重要的一個發展趨勢。模糊控制無需建立對象的數學模型，具有較強的魯棒性，控制機理符合人們對工業過程的直觀描述和思維邏輯，是解決對象非線性特性的一種有效途徑。現在已經形成了許多種基于神經網絡的控制器設計方法。基于模糊自回歸滑動平均模型的自組織穩定器、自適應自調整模糊勵磁控制器將神經網絡控制應用于發電機勵磁系統的設計，利用神經網絡控制算法來設計智能勵磁控制器，取得了較好的性能和效果。
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