本文选择单级倒立摆作为研究对象，因为它是一个典型的输出多变量、极度非线性、天然不稳定的随动系统，其实现实生活中的倒立摆是处处存在的，比如发射的火箭卫星、摆动的摆钟、体操比赛中的运动员、舞台上的芭蕾舞演员等等这些情形都可以近似地看成倒立摆的控制问题，比如如何保持稳定、怎么解决非线性、如何提高鲁棒性等，这些问题都能在倒立摆实验中找到理想的答案，可以说对倒立摆的研究无论在控制策略的探索上还是实际的工程应用中都具有深远的意义。同时倒立摆还是一个理想的研究载体，新出现的控制策略和方法都能在倒立摆系统中加以验证，因此对倒立摆控制系统的研究受到国内外许多科学家和科研人员的普遍重视，已被认为是控制理论特别是现代控制理论研究极佳的实验工具和实验平台。　　 本文以系统控制理论为基础，围绕直线单级倒立摆控制系统的总体设计思路和方案，详细介绍了实现该系统所采取的理论、技术和方法，其中不仅推导出了倒立摆的数学模型，还对线性控制策略、智能控制策略这些控制理论的方法进行了探讨并结合倒立摆的数学模型进行了仿真实验得出了结论，又结合实际的倒立摆控制系统进行了硬件及软件设计，本文不仅对其他类似的实验装置有一定的参考意义，还能为现代控制理论这方面的实验提供丰富的教学素材。　　 本文共分7章，主要内容如下:　　 第一章，绪论。介绍了倒立摆的起源，阐述了对倒立摆系统研究的目的和意义以及关于倒立摆研究的发展过程和现状，接着综述了目前倒立摆系统控制策略的发展概况，最后提出了本文的研究内容和拟解决的关键性问题。　　 第二章，倒立摆控制系统总体方案。介绍了作者提出的直线单级倒立摆控制系统的总体设计思路和方案，主要由机械、电气、PC三大部分组成了本文的倒立摆系统。　　 第三章，倒立摆控制系统的数学建模。详细介绍了如何利用动力学原理和经典的牛顿力学定律来建立单级倒立摆的数学模型，最后得到了倒立摆系统的状态空间方程并根据现代控制理论对其特性进行了分析和判断，证明了倒立摆是可控又可观的系统这为下一章节控制策略的设计提供了理论依据。　　 第四章，倒立摆系统控制策略的研究。首先采用了线性反馈控制理论，包括状态反馈法、LQR法以及经典PID法对单级倒立摆系统进行了稳定控制，通过得到的仿真曲线可以发现这三种方法都能较好地控制倒立摆系统中小车的位移和摆杆的角度，经过较短的上升时间，小车和摆杆就能够保持稳定。接着采用了智能控制策略来控制倒立摆，主要是指广义预测模型的方法，因为倒立摆系统本身是极度非线性、天然不稳定的系统，采用线性控制策略需要建立精确的数学模型，而这是很难的并且即使建立起来的模型也是经过线性化处理后的结果与实际的模型有一定差距，而采用智能控制策略不需要建立精确的数学模型，通过仿真曲线可以看出采用智能控制策略能实现倒立摆系统的稳定控制，而且具有较强的参数适应性等优点。在本章最后对比分析了本文所设计的四种控制器的优劣特点，结合实际控制特点选用PID作为下一步硬件及软件实现的控制策略。　　 第五章，倒立摆控制系统的硬件实现。本章研究的内容是基于TMS320F2812的倒立摆系统的稳定控制实现，详细设计了以DSP（DigitalSignalProcessor）为控制核心的硬件平台，包括数据采集控制板在内的系统主电路和外围保护电路的设计。这部分首先介绍了TMS320F2812的芯片结构以及功能特点，说明了本文为什么选用该款芯片作为主控芯片;接着设计了包括DSP最小系统、电源电路、PWM电路、串口电路以及测量电路等在内的数据采集控制板的设计思路，同时也设计了限位保护电路、开关量输入/输出电路、脉冲量输入/输出电路、编码器输出电路等在内的系统外围电路;在本章的最后给出了文中所采用伺服驱动器参数的设置方法以便在需要的时候调整驱动器的性能。　　 第六章，倒立摆控制系统的软件实现。本章结合第四章控制策略中的PID控制器介绍了倒立摆控制系统的软件实现。首先介绍了采用DSP进行开发的环境流程，包括CCS3.3(CodeComposerStudio3.3)简要的介绍，然后对倒立摆控制系统各个的软件模块的功能进行了具体分析并给出了各个模块的设计思路和要实现的功能，最后给出了主程序流程图、主程序代码及各个模块的程序代码。　　 第七章，研究结论。