机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域技术的综合体是倒立摆系统。它的自身特性和优势可作为一个典型的控制工程领域的被控制对象研究的缩影,且便于检验控制理论或方法的方案可实施性。倒立摆系统的相关研究成果广泛应用于机器人控制技术、电动平衡车研究、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控制和机械手等工业生产工程。因此,倒立摆系统的研究具有着重要的意义和不可预估的工程应用价值。针对工程领域非线性系统的整数阶模型与实际模型失真的问题,本文以倒立摆系统为研究对象,研究其非线性、多变量等特性,利用分数阶理论建立其分数阶模型,采用多种改进粒子群算法进行该模型参数辨识,并利用t-test置信区间的概率函数和ITAE的适应度函数两种评判准则,对比多种参数辨识算法的优劣,确定最优的辨识参数组,完成倒立摆系统的分数阶系统的参数辨识。在Matlab仿真环境下进行仿真验证,仿真结果表明分数阶系统模型响应曲线更贴近倒立摆系统的实际的输出响应曲线。在倒立摆系统分数阶参数辨识及建模基础上,设计了分数阶数字PID控制器,对其参数优化整定采用了一种混沌搜索与自适应惯性权值调整相结合的粒子群算法(Chaotic Adaptive Particle Swarm Optimization,CAPSO),解决了粒子群参数寻优易陷入局部最优的问题,提高了参数寻优算法的收敛精度,得到参数的全局最优解。通过Matlab/Simulink仿真验证,对比了 CAPSO算法优化的分数阶控制器与整数阶PID控制器的动态响应曲线,系统具有良好的稳定性、跟随性和抗干扰能力。最后,利用固高公司的倒立摆系统,在Matlab、DOS软件环境下搭建了半实物实验仿真验证平台,验证倒立摆系统的分数阶建模与参数辨识和基于CAPSO的分数阶PID控制器参数优化控制算法的有效性和可行性。