倒立摆系统是一个典型的单输入多输出、非线性、强耦合[1,2]和自然不稳定的系统，对这样一个复杂系统的研究，理论上将涉及系统控制中的很多关键问题，比如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题和跟踪问题等。

由于倒立摆系统结构简单以及控制效果直观，所以常常被用来作为控制理论教学与验证新的控制算法是否能处理多变量、非线性和不稳定系统的理想工具[3]。

随着社会科学技术的发展进步，控制倒立摆的一些方法和思想在研究其它被控对象时也有广泛的用途，自动控制广泛应用到各个领域，例如卫星火箭发射时运载火箭的垂直度控制，卫星在太空中的姿态控制[4]，军用巡航导弹飞行姿态控制，火箭飞行过程中姿态控制，飞机空中飞行与着陆控制，机器人的直立行走机构，工业自动化工程控制，海上钻井平台的稳定控制等等。

倒立摆系统为控制理论和工程实际之间搭建起了一个桥梁。

一、课题研究的目的与意义 倒立摆系统是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想平台,它具有成本低廉、结构简单、物理参数和结构易于调整的优点。

倒立摆系统本身还是一个典型的非线性、高阶次、多变量、强耦合和绝对不稳定系统,许多抽象的控制概念如系统的稳定性、可控性和系统的抗干扰能力等,都可以通过倒立摆直观地表现出来[5]。

本课题以旋转式倒立摆为研究对象，建立倒立摆系统的数学模型，分析倒立摆系统的运动特性，实现所构建的倒立摆的MATLAB/Simulink[6,7,8]仿真和MatSimBox硬件在环实时控制实验。

采用二自由度控制策略完成这类倒立摆的起摆和平衡控制，并且能通过引入优化算法来提升旋转倒立摆起振和平衡控制性能。

二、研究现状 古典控制理论、现代控制理论，当前各种智能控制理论和各种先进的非线性控制理论，这些控制理论和控制方法差不多在倒立摆系统的控制上都有成果发表[9]。

对单级倒立摆的研究可总结为两个方面[5,9]： 一方面为：设计控制器实现倒立摆系统的自动摆起，即如何快速的将倒立摆从初始位置达到竖直位置的起摆控制[10]。