倒立摆是一个绝对不稳定系统,具有高阶次、非线性、强耦合等特性。一直被用作实时控制系统实验的控制设备。倒立摆系统不仅具有生动直观的教学特点,在研究方面,同样具有重要的价值,如火箭发射、机器人等等,都存在类似于倒立摆的控制问题。论文论述了倒立摆系统研究的背景、意义和国内外研究倒立摆系统的现状、水平及发展趋势。设计了倒立摆系统机械本体,选择GT-400-SV运动控制器作为运动控制模块,完成整个系统硬件的连线与调试。利用振动和力学原理对倒立摆系统的相关重要参数进行了实验测定,如摩擦系数,摆杆转动惯量等。用牛顿力学方法建立了单级倒立摆数学模型,然后用Lagrange方程建立了二级倒立摆数学模型。对其进行局部线性化,并由此推导出了系统的状态方程。做出了可控性和可观测性判断。作为离散控制系统,倒立摆控制器的设计方法分为模拟化设计和离散化设计。模拟化设计中,采用连续二次型最优控制理论设计倒立摆控制器,为了提高系统控制精度设计了状态观测器来估计摆杆角速度变量,然后对设计的控制器离散化。离散化设计法是直接在离散域中进行设计,采用离散二次型最优控制理论设计倒立摆控制器,设计状态观测器估计车体速度和摆杆角速度变量。经过系统仿真后,可以达到较好的控制效果。采用PV控制方法设计倒立摆的起摆控制器,此控制方法具有设计简单,安全可靠的优点。在实现起摆的同时,可限制车体位移在规定的范围内,且车体速度不会太大,从而平稳的实现两种控制方法的切换。程序控制界面使用VC进行开发,完成倒立摆稳定控制实验。此软件完成在线检测、在线控制以及在线调试等任务。最终使车体位移和摆杆角度稳定在平衡位置附近,其中车体位移稳定在-18mm～3mm,摆杆角度稳定在±0.38°。实验结果表明该方法对单级直线倒立摆系统的稳定控制具有很好的效果,同时也说明观测器设计的正确性。