两轮不平衡小车本质上是一个两轮机器人模型，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，同时具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点。因此，两轮不平衡小车是研究检验各种控制方法的理想平台，又有着广泛的应用前景。本文以两轮不平衡小车为对象，研究采用变结构控制理论设计系统、应用灵敏度分析理论分析改进变结构控制系统性能的方法。论文的主要工作有以下几个方面：首先，在借鉴国内外机器人系统建模的基础上对两轮不平衡小车系统进行建模，并对原系统的非线性模型进行线性化，得到了线性化模型。其次，将灵敏度分析应用到了变结构控制的性能分析中。首先找到了将状态反馈等价于输出反馈的方法，从而求出了状态反馈系统的灵敏度函数。其次，通过状态反馈的灵敏度函数，得到变结构控制的灵敏度函数。最后，利用灵敏度函数进行变结构相应的性能分析。变结构控制最突出的优点是具有较强的鲁棒性，可以通过灵敏度分析进行检验修改。最后，本文采用了常值切换控制、指数趋近律、准滑动模态三种典型的变结构控制方式设计了三种不同的变结构控制器，应用灵敏度理论分析所设计的控制器，并进行了仿真对比研究。通过仿真可以得出相比其他控制，变结构控制在对付系统的外部干扰和内部摄动方面不仅有较好的鲁棒性，还可获得较为满意的动态性能。对于两轮不平衡小车来说，平衡是小车的主要特性，因此从鲁棒性角度来考虑，变结构控制是不错的选择。