风力摆作为一种与四轴飞行器较为相似的研究对象,具有不稳定、多变量和非线性的特点,常常应用于高校的教学实验课程设计。对风力摆控制系统及其教学实验平台的研究过程所涉及到的主要核心问题包括硬件结构设计、系统建模、姿态检测与融合以及姿态控制等方面的内容,针对这些问题,本文展开了如下的工作:1、以高校实验教学为出发点,针对风力摆控制系统实验平台的设计要求,从整体上对系统设计过程中需要解决的问题进行了分析,以及对系统的硬件实验平台和软件实验平台分别进行了总体设计。2、分析了风力摆的具体工作原理,在此基础上,从能量的角度建立了风力摆控制系统的拉格朗日动力学模型;对风力摆控制系统的硬件设计部分进行了详细的论述,通过对实现硬件设计的各种技术方案进行了分析与比较,选择了最合适的硬件设计方案并进行了电路设计工作。3、研究了风力摆在运动过程中的姿态表示和姿态检测方法,以及不同的姿态传感器的角度检测特性;将互补滤波算法、自适应互补滤波算法以及卡尔曼滤波算法应用到风力摆的姿态融合解算中,并通过相关的仿真实验来验证上述融合算法的可行性以及后两种姿态融合算法相较于第一种算法的改进性能。4、以风力摆控制系统的单级角度PID控制器为基础,设计了包括角度检测外环和角速度检测内环的串级PID控制器,并提出了风力摆在不同运动模式下详细的控制策略;对主程序、基础外设初始化程序、姿态角检测程序以及定时器中断程序等程序模块进行了分析与设计。5、构建了风力摆控制系统实验平台,对上述三种姿态融合算法进行相关的实验测试并对测试结果进行了分析与比较,验证了自适应互补滤波算法和卡尔曼滤波算法相较于互补滤波算法的优良特性;采用串级PID控制器对风力摆在不同运动模式下进行了实验测试,实验结果表明了运用该控制器对风力摆进行姿态控制能够达到控制系统的性能指标。