倒立摆系统是一个典型的非线性、高阶次、多变量、强耦合、欠驱动和绝对不稳定系统。许多抽象的控制概念都可以通过倒立摆控制系统直观地表现出来。倒立摆系统研究产生的方法和技术在半导体、精密仪器、机器人控制、人工智能、导弹拦截控制系统、航天器姿态控制等方面都具有广阔应用前景。本文研究了倒立摆系统的自动摆起控制,主要内容如下:1.在深入研究倒立摆系统结构和借鉴国内外研究成果的基础上,采用分析力学中的Lagrange方程建立了n级倒立摆系统的非线性数学模型,并在系统平衡点附近对倒立摆系统的非线性模型进行线性化处理,得到倒立摆系统的线性状态空间表达式。2.提出能量势阱控制,成功实现了一级直线倒立摆的自动摆起。在能量势阱控制器中引入了小车位移势阱函数、小车速度势阱函数,防止了在自动摆起过程中发生的越界现象。稳摆控制器采用SDRE方法(State Dependent Riccati Equation),SDRE方法通过模拟线性二次型调节器(LQR)来寻求状态反馈控制,被认为是LQR的非线性形式。仿真和实物实现表明,在相同控制参数下SDRE非线性控制器优于线性LQR控制器。3.提出逆系统轨迹控制,成功实现了二级直线倒立摆的自动摆起。二级直线倒立摆的自动摆起是指上、下摆杆从自然悬垂位置摆动到倒立点位置,从数学的角度可以看成是非线性两点边值问题。通过求解微分方程两点边值问题,得到二级直线倒立摆系统的参考轨迹。采用前馈和反馈相结合的两自由度控制对参考轨迹进行跟踪。仿真和实物实现表明,逆系统轨迹控制能够在较短的时间内实现二级直线倒立摆的自动摆起,并且具有良好的稳定性和鲁棒性。4.介绍了倒立摆系统的硬件结构,并在VC++6.0环境下编写实时控制程序,实现了一级直线倒立摆和二级直线倒立摆实物系统的自动摆起。最后,对课题的工作内容进行总结,给出下一步的研究方向和工作重点。