该文主要针对一类典型的仿射非线性欠冗余机电系统一倒立摆控制系统进行分析研究以及设计控制器.首先,针对一级直线倒立摆系统,采用牛顿力学分析方法和欧拉一拉格朗日方法建立系统的动态数学模型,比较了两种方法的优劣,分析了系统的平衡点,给出系统在平衡点邻域近似线性化后的状态空间模型和离散线性系统模型,指出系统在平衡点邻域是开环不稳定的、能控的,并且相对能控性较差;应用微分几何方法,指出系统以能量为输出的相对阶为2,不能输入/输出精确线性化.之后对二级串联环形倒立摆系统、二级并联环形倒立摆系统、平面倒立摆系统和柔性连接倒立摆系统分别应用欧拉一拉格朗日方法建立系统的动态数学模型,分析了系统在平衡点邻域的稳定性、能控性及相对能控性.然后,介绍了运动控制理论、GM400运动控制器原理及非线性系统无源性定理,并且证明倒立摆控制系统是无源的系统.最后,介绍了系统的仿真结构、实际系统软件结构及编制、实际系统硬件结构及组成.给出五种倒立摆系统仿真及实验结果.