倒立摆是一个典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统,具有结构简单、成本较低、形象直观的特点,被广泛用作检验各种控制算法的实验对象。倒立摆系统在控制过程中,能有效反映诸如镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多经典的控制理论问题。因此,许多研究人员一直将它视为最佳的控制理论方法验证对象,并不断从研究倒立摆控制中发掘出新的控制方法,并将其应用于航空航天和机器人学等高新科技领域。然而,传统的倒立摆系统基本上是采用旋转伺服电机驱动,因传动过程中存在摩擦和间隙,而且柔性带传动会有带的振动、伸缩以及延迟,使控制系统中混杂有较大的噪声和干扰。针对这一问题,本文决定利用直线电机直接传动的优点,自主设计了一套直线电机倒立摆系统平台,并对倒立摆系统的实时控制问题进行研究。本文首先以直线电机倒立摆系统为研究对象,分别建立一级直线电机倒立摆和二级直线电机倒立摆的非线性微分方程,并对其进行线性化处理,得到倒立摆系统的状态空间方程,并在此基础上对被控对象进行简要的性能分析。然后,采用先调节摆杆角度,再进行小车位置控制的方法。针对倒立摆系统分别设计了LQR控制器和滑模控制器,并在MATLAB/Simulink中搭建系统控制器仿真模型。仿真结果表明,设计的LQR控制器和滑模控制器均具有较好的控制效果,能够满足系统对快速性、实时性的要求。最后,在自主设计的软硬件平台环境下,对直线电机倒立摆系统进行实时控制研究,并将实时控制结果与仿真结果进行比较,实验结果表明控制算法的有效性和自主设计平台的可行性和可靠性。