倒立摆作为一种实验设备,在教学和科研过程中发挥着重要的作用.它以其自身的非线性、强耦合、多变量和自然不稳定特性,成为检验各种控制理论和方法的理想模型,是长期以来国内外控制领域研究的一个典型问题.但在目前国内的倒立摆控制研究中,由于缺少合适的实验平台,众多的研究只能局限于计算机软件仿真而无法通过实验来验证.针对这种情况,该课题结合教学与科研的应用要求,研制开发了一阶直线倒立摆实物仿真实验系统.根据一阶倒立摆系统的物理模型,应用拉格朗日方程建立了系统的动力学数学模型;为了便于进行控制系统的设计,对模型进行了线性化和简化;通过模型仿真实验证明,该简化是合理的.该文进行了系统的电气部分设计与实现,实现了以S7-200型PLC为核心的一阶倒立摆电器控制系统.根据系统功能要求,进行了系统程序设计,使得系统同时能够完成手动操作、状态显示、起摆等功能.同时对系统性能进行了分析,并通过实物测试验证了分析的合理性.结合系统特点,应用模糊控制理论,提出了可以在PLC上实现的双闭环模糊控制方法,该方法根据系统状态控制系统驱动力来实现系统的稳定控制,具有算法简单,鲁棒性强等优点.针对系统检测性能的不足,解决状态量的间接测量问题,该文进行了系统状态变量重构问题的研究,应用现代控制理论构建一阶倒立摆系统的降维状态观测器,实现对摆杆偏移角速度和滑块线速度两个状态变量的重构.通过观测器在二次最优反馈控制中的应用,验证了状态重构思想的有效性.仿真实验证明,重构的状态是系统实际状态的良好估计,可以代替实际状态作为系统的反馈量.