Описана задача повышения эффективности технических систем методами функционального диагностирования с применением виртуальных датчиков в случаях, когда имеющихся физических датчиков недостаточно для уменьшения сложности средств диагностирования или для локализации дефектов с требуемой глубиной. Использование дополнительных физических датчиков для достижения необходимого результата может потребовать дополнительных затрат, кроме того, надёжность таких датчиков, как правило, невысокая. Поставлена и решена задача построения робастных виртуальных датчиков для технических систем, описанных нелинейными моделями, в условиях действия внешних возмущений. Предложены два способа решения этой задачи на основе идентификационной и жордановой канонических форм. Приведены соотношения, позволяющие построить датчик минимальной сложности для оценки заданной компоненты вектора состояния технической системы. При этом построенный датчик будет нечувствителен или минимально чувствителен к возмущениям, что достигается путём использования сингулярного разложения матриц, описывающих возмущения и исходную систему. Синтезированный виртуальный датчик может стать дополнительным к имеющимся физическим датчикам или заменить отказавший физический датчик. Теоретические положения проиллюстрированы практическим примером. Полученные результаты можно использовать для решения задач построения отказоустойчивых систем.