倒立摆系统仿真与实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。它对一类不稳定系统的控制以及对于深入理解反馈控制理论具有重要的意义。目前,倒立摆平衡控制的研究主要集中于这样一个模型,即摆杆固定于一个运动的小车,通过控制小车的运动从而控制摆杆的平衡。而对飞轮倒立摆系统的研究却很少,特别是其控制方法的研究还处于初级阶段,有待进一步深入探索和研究。本文针对一个飞轮倒立摆系统的建模与平衡控制问题进行研究,取得了以下主要研究成果:第一:基于拉格朗日方程的飞轮倒立摆系统建模本文根据拉格朗日方程建立飞轮倒立摆系统的动力学模型。将飞轮倒立摆系统抽象为一个圆环形的飞轮和一根匀质的细杆两个刚体,对其进行假设和简化,利用拉格朗日方程建立飞轮倒立摆系统的动力学模型,并通过仿真实验验证系统模型的正确性,进而分析系统的稳定性和能控型。第二:飞轮倒立摆系统的线性二次型最优控制将飞轮倒立摆系统的非线性数学模型在平衡点附近线性化,设计线性二次型最优调节控制器,实现飞轮倒立摆的平衡控制,在MATLAB/Simulink环境下的数值仿真实验表明,当飞轮倒立摆摆杆的倾角在一定范围内,LQR控制器可以实现飞轮倒立摆的平衡控制,且控制器具有一定的抗干扰能力,但是超过该范围,控制器失效。第三:飞轮倒立摆系统的基于分组控制的模糊控制将飞轮倒立摆系统的非线性数学模型作为控制对象,根据各个输入变量关系的密切程度,把模糊控制器的四个输入变量分为两组,分别设计模糊控制规则,降低了模糊规则数。通过仿真实验可知,本文设计的模糊控制器可以有效的控制飞轮倒立摆,实现飞轮倒立摆系统的平衡控制。整个控制过程响应速度快,超调小,且控制系统具有良好的抗扰动能力。第四:基于虚拟样机的飞轮倒立摆运动平衡控制仿真实验为了对前述模型及控制算法做进一步的验证,引入虚拟现实技术,使用Adams软件进行三维仿真实验。首先将该模型的开环响应与本文建立的系统数学模型开环响应对比,进一步验证数学模型的正确性。然后对飞轮倒立摆三维模型进行PD控制,为后续实物系统的控制奠定必要的基础。最后在MATLAB中建立控制系统,并以虚拟现实环境中的飞轮倒立摆为控制对象,完成ADAMS与MATLAB的联合仿真控制实验,实现飞轮倒立摆的平衡控制,验证控制算法。第五:飞轮倒立摆系统的物理实验通过对飞轮倒立摆系统的设计、加工、安装和硬件电路的调试,对飞轮倒立摆控制系统和感知系统有了深入的了解,前期的仿真研究为物理系统的控制提供了理论依据和数据参考。物理系统实验结果表明,飞轮倒立摆系统的摆杆在偏离竖直位置范围内的控制都是有效的,且飞轮倒立摆系统具有一定的抗干扰能力。