倒立摆是一个典型的多变量、非线性、强耦合的不稳定系统,是高校自控原理及计算机控制实验中典型的被控对象,在实验教学和控制理论的研究中有重要的应用。本文提出了一种倒立摆虚拟样机的设计方案,利用软件实现倒立摆的数学模型,同时利用硬件电路将相关变量转化为实际应用的传感器信号。利用硬件平台和上位机软件相结合的方法建立倒立摆的半实物模型。该方案设计简单、形象直观、控制算法易实现、控制过程动态显示等优点。此设计将在控制算法的研究、实验教学及实际工程中具有广阔的应用前景。文中分析倒立摆控制的国内外研究及发展现状。在此基础上提出了系统的设计方案。利用C8051F020单片机作控制器来设计硬件平台。利用牛顿力学方法建立倒立摆数学模型,得出系统的传递函数和状态空间方程。在以上基础上,利用具有强大运算功能的MATLAB来实现倒立摆数学模型的运算。利用硬件电路将变量实际值转化为对应的传感器输出值并产生控制量。利用VB实现通信与数据的传递。利用组态软件来实现动画界面。该界面能直观的显示被控过程,并形成各参数的曲线,以便记录和比较。利用DDE协议来解决MATLAB、VB和组态软件之间数据共享。最后,对设计的系统进行了可控性和可观测性分析。分析倒立摆控制策略,采用极点配置、PID和LQR算法对系统进行了仿真,得出响应曲线。分析了小车质量,摆杆长度和质量对系统的动态特性影响。