二级倒立摆系统是一个对准确性、快速性要求很高的复杂的非线性不稳定控制系统。自20世纪60年代后期，作为一个典型的不稳定非线性系统的例证，倒立摆的概念被提出来，并得到广泛的研究。由于倒立摆研究不仅可以解决控制中的理论问题，而且还具有基础学科综合应用以及重要的工程实践意义，也是由理论通往实践的桥梁，同时，在倒立摆的研究中仍存在着如稳定控制、状态解耦以及非线性处理等很多没有解决的问题，因此，一直以来都是控制领域研究的热门课题之一。 本文对倒立摆的背景和研究现状进行了总结，简要阐述倒立摆发展不同时期的控制方法及控制结果，指出了原有控制方法的缺点和不足。针对二级倒立摆系统的平衡控制问题，在分析以往倒立摆系统各种状态下建立的模型方程基础上，利用拉格朗日力学理论中的能量不变原理建立了在没有摩擦和有摩擦下的倒立摆数学模型，对所建立的系统方程进行了能控性分析，并依系统性能要求进行了线性化处理，提取出关键的系统控制状态变量，采用现代控制理论及滑模变结构控制算法进行了控制设计和系统的实现，通过仿真分别对有、无摩擦两种情况进行了算法比较分析，表明了滑模控制比最优控制具有更强的鲁棒性和抗干扰能力。 本文在大量原理分析和仿真基础上设计了系统硬件结构及外围电路，根据控制系统的特点，以DSP2407为核心设计了硬件电路组成，其主要组成有三大部分：系统的测量反馈回路、电动机的驱动回路及与上位机通讯回路。论文中在执行机构上选择了具有系统要求控制特点的直流伺服电动机，并利用DSP器件产生的PWM控制信号进行控制调节，使系统具有更高的性能。最后，进行了主程序及子程序的软件流程设计。软件设计主要实现了主程序及子程序功能，完成了实现系统控制的总体方案。