在控制理论课程教学中,球杆系统小球定位问题是一个经常被使用的生动有趣的实验,球杆系统是一个典型的具有不稳定开环极点的实验装置,其小球仅靠杆的上下摆动进行位置控制。球杆系统具有生动直观的教学特点。球杆系统是一个非线性不稳定系统。在控制领域中,非线性不稳定系统的建模和控制器的设计有许多需要克服的难点问题,有必要首先在实验室中研究。但是绝大多数的不稳定系统都是非常危险的,因此成了实验研究的主要障碍。而球杆系统正是解决这种障碍的最好的实验工具,它简单、安全并且具备了非线性不稳定系统所具有的重要动态特性。本文根据控制理论课程教学的需要,研制了一款基于嵌入式控制器的球杆系统。主要内容有,首先对球杆系统机械部分进行设计包括底板、底板连接件、支撑板、支撑板连接件、V型槽、V型槽垫块,然后对执行部件,电机;检测部件,角度传感器、位移传感器和运动控制方案进行选择和部分配套电路设计,其次以球杆系统这个非线性不稳定系统为实际控制对象,建立其数学模型,进而用经典的PID控制器、根轨迹控制器和现代控制理论的极点配置和最优LQR控制器分别使用MATLAB对其进行仿真分析。最后用串级双闭环PD控制器实际控制球杆系统样机,其主要参数满足满足实验教学要求。