倒立摆是多变量、不稳定、复杂的非线性系统,是进行控制理论研究的典型实验平台。许多抽象的控制理论概念,例如系统的稳定性、可控性、抗干扰能力等,均可以通过倒立摆系统表现出来,因此实际中经常采用倒立摆系统来考察复杂系统的性能。此外,倒立摆控制系统与火箭飞行器控制、机器人行走控制等系统有很大的相似之处,其对应的控制理论和控制方法在在军工、航天、机器人领域等都有着非常广泛的用途。倒立摆系统按照摆杆的数量不同,可分为一级倒立摆、二级倒立摆、三级倒立摆等,各摆杆之间为自由连接即无电机或其他驱动部件。无论一级倒立摆还是多级倒立摆,其基本的控制问题就是使摆杆在竖直方向上尽快达到平衡位置,并使之没有较大的震荡。倒立摆作为一个典型的被控对象,适合用多种理论和方法进行控制。其中最常用的有PID控制,PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单,鲁棒性好和适应性强,被广泛应用于工业过程控制当中。PID控制为单输入单输出控制,仅能控制摆杆的摆角而不能同时控制小车的位置。状态空间反馈控制,通过对倒立摆物理模型的分析,建立倒立摆的动力学模型,确定状态变量,然后使用状态空间理论推导出状态方程和输出方程。状态空间控制方法为多输入多输出控制,能较好的控制摆杆的摆角和小车的位置,是一种比较成熟的控制方法。LQR线性二次型控制,LQR可得到状态空间反馈的最优控制规律,易于构成闭环最优控制。本文主要针对几种典型的控制策略做了分析,包括数学模型的建立,MATLAB仿真,并对响应结果做了分析。在这些控制策略的基础上,设计了直线一级倒立摆的简易实验平台,并在ADAMS中建立了直线一级倒立摆模型,通过MATLAB和ADAMS联合仿真,使用状态空间反馈的方法实现了对直线一级倒立摆的控制。