两轮自平衡小车是一种非线性、多变量、强耦合、参数不确定的复杂系统,它体积小、结构简单、运动灵活,适合在狭小的空间内工作,是检验各种控制方法处理能力的一个理想装置,受到科学家的重视,成为具有挑战性的课题之一。两轮自平衡小车系统是一种两轮左右并行布置的系统。像传统的倒立摆一样,其工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平衡。本文在总结和归纳国内外研究现状后,选用适当的控制器、执行电机和传感器,设计出了两轮自平衡小车的控制部分,选用的倾角传感器以实时获取小车的当前姿态,并将姿态信息经外围电路送给控制器,通过控制算法输出的控制信号来驱动电机,从而来实现小车的自平衡。借鉴国内外机器人系统的建模,根据运动学和牛顿力学对小车系统进行建模,对非线性模型进行了反馈线性化,并对线性化后的模型进行了系统的稳定性、可控性和可观性验证。在控制器的设计中,首先利用传统PID和LQR控制对简单模型进行可行性分析；接着根据变结构控制理论设计了基于指数趋近律的变结构控制器,并对小车系统加外部干扰进行仿真验证；最后采用线性二次型最优控制,分别改变Q、R,分析了系统的角度、控制电压的输出响应,可以看出控制器Q、R的选择对系统的暂态性能、稳定性、鲁棒性和可控范围有很大的影响,通过分析为实现两轮小车大范围稳定控制的线性控制器的设计提供了依据,并对小车系统外部干扰进行仿真验证。仿真结果表明LQR控制比PID控制要好；小车系统在变结构控制器的作用下出现了比较大的抖振,但是它有较强鲁棒性；在最优控制器的作用下不仅大范围可控并且具有一定的鲁棒性。