欠驱动系统是驱动器数目少于自由度数目的一类非线性系统,其驱动装置的减少使得对其的控制富于挑战性。欠驱动系统具有重量轻、能耗低的优点,特别适于机器人、航天航空等对质量和能耗敏感的领域。因此对欠驱动系统控制问题的研究具有重要意义。Acrobot是一类典型的欠驱动系统,研究其控制问题有助于促进欠驱动机械系统控制理论的发展。本论文主要研究Acrobot起摆和平衡控制问题,结合Acrobot实物装置,从理论和实践两方面展开研究。本文对Acrobot建立了基于拉格朗日方程的动力学模型、平衡区附近的线性化模型和基于哈密顿正则方程的动力学模型,通过仿真实验验证了模型的正确性。不同工况采用不同的数学模型有助于控制器的设计。针对起摆和平衡控制目标,本文提出了两种控制策略:基于IDA-PBC方法的直接起摆和平衡控制策略以及起摆控制器和平衡控制器相切换的控制策略。前者采用IDA-PBC方法设计的控制器能直接实现起摆和平衡控制。后者需分别设计起摆控制器和平衡控制器,在一定条件下实现切换以完成控制目标。采用部分反馈线性化方法设计了起摆控制器,并优化了连杆2的参考路径;采用LQR方法设计了平衡控制器。仿真实验证明了两种控制策略的有效性,同时证明第一种控制策略具有所需转矩大、杆2摆幅大的缺点,难以应用于实物装置,而切换控制策略不存在这些问题。故而将应用切换控制策略进行起摆和平衡控制实物实验。本文将Acrobot实物实验平台分为五个部分进行了阐述。其一是Acrobot机械本体,将其与国外学者设计的机械本体进行了比较;其二是基于DSP的运动控制卡设计,通过调试证明其性能比基于ARM7和Rabbit3000的运动控制卡更优越;其三是电机驱动环节,重点介绍了电流环的实现,通过优化电流的跟随速度和稳态精度较以前均有大幅提升;其四是状态检测环节;其五是基于RTDX的上位机监控软件。采用UKF方法得到实物系统的辨识参数,在此基础上应用切换控制策略成功地实现了Acrobot的起摆和平衡控制,证明控制算法是有效的。外部扰动实验和加长杆实验表明平衡控制器具有一定鲁棒性。