倒立摆是一个典型的高阶、多变量、非线性、强耦合的自然不稳定系统。它是进行控制理论研究的一个理想实验平台，能够形象的反映出许多抽象的控制理论，比如系统的稳定性、非线性问题，系统的抗干扰能力以及系统的可控制性等，倒立摆同时也具有很强的工程应用的背景，相关的研究成果具有非常重要的实际应用价值，已经被应用到航天科技和机器人学等诸多领域。本文所研究的对象是由固高科技公司提供的直线单级倒立摆实验装置平台，围绕这方面进行了倒立摆稳定控制算法的仿真实验与实时控制的实验研究。主要内容包括：首先根据直线倒立摆系统的特性，利用牛顿-欧拉方法建立了单级倒立摆系统的标称数学模型和存在不确定情况下的不确定数学模型，并使用Simulink对单级倒立摆的非线性模型进行了仿真研究，分析了倒立摆系统特性。其次，基于倒立摆系统的标称数学模型，研究设计了PID控制算法、根轨迹和线性二次最优控制算法的控制器。以及对于系统不确定数学模型，给出了基于LMI理论的倒立摆系统的鲁棒状态反馈H控制器的设计方法，同时利用MATLAB/Simulink进行了控制器的仿真分析。最后，考虑对倒立摆的实时控制，使用VisualC++2010在Windows平台下设计编写了单级倒立摆的实时控制软件，主要是通过对GT400-SV-PCI四轴控制控制板卡进行操作和实现自己的控制算法，从实际运行结果来看，鲁棒H状态反馈控制的效果最好。