自第一架双翼飞机“飞行者”完成人类历史上第一次驾机动力飞行之日起，人们对于天空的追逐就从没有停止过。随着科学技术的不断进步与快速发展，人们对飞行器的要求也不再仅仅局限于能够上天而已，飞行器的实时控制也开始被越来越多的提上日程。直升机模型装置是研究飞行器实时控制的良好载体，在自动控制领域内被国内外科研人员广泛认同，其物理模型具有很大的典型性，这在控制科学与控制理论的实际教学与科研中也是为数不多的。本文所研究的对象就是加拿大著名运动控制设备生产制造商——Quanser公司设计研发的三自由度直升机模型实验系统，以它为课题的控制对象，展开系统数学建模和各类控制器设计工作。通过对于三自由度直升机模型实验系统的总体分析，能够清晰地发现它具有非线性、强耦合、多变量、多输入多输出等特点，这就给研究工作制造了较高难度。最终选定了控制理论中的经典方法PID控制方法和新型最优控制理论中的线性二次型调节器（Linear Quadratic Regulator, LQR）方法设计控制器，并在后续深入了解直升机特性后引入了多模型切换思想，建立了多模型LQR控制器。在设计控制器的过程中，首先对直升机模型的硬件系统进行了深入剖析分解，根据其物理特性进行数学建模，并根据后续设计控制器的不同需求进行了修改，如针对PID控制器对数学模型进行近似化和线性化；针对LQR控制器设计要求将三组运动微分方程改写为状态空间方程；针对多模型LQR控制器将数学模型以高度角和俯仰角两个角度为变量建立多模型集合等等。之后运用Matlab搭建仿真对所设计的各类控制器进行仿真实验，分别运用控制器对阶跃信号、正弦信号和阶梯方波信号进行了跟踪实验，并通过直升机高度角、俯仰角和旋转角的跟踪准确性、快速性以及超调量大小等控制指标，直接地度量控制器控制效果的好坏，并直观地对比各类控制器的控制效果。在得到满意的控制效果后，将控制效果最优的多模型LQR控制器应用于直升机实物模型之上，运用Matlab中的实时工作空间（Real-Time Workshop, RTW）和Quanser公司专为各类运动控制实验平台研制的专用控制软件Wincon实现对直升机实物的实时控制，控制效果良好。