倒立摆系统具有非线性、高阶次、多变量、强耦合等特点,是绝不稳定欠驱动系统的典型代表。倒立摆系统可以抽象的表示多种应用领域控制对象的基本模型,可以作为理想的多智能控制理论验证控制应用平台,从而实现倒立摆系统在航空航天领域、智能机器领域的广泛应用,因此倒立摆稳定性控制研究是非常重要的。本文以直线二级倒立摆控制系统作为研究对象,首先对直线二级倒立摆进行物理机理分析并建立数学模型,然后对直线二级倒立摆的数学模型线性化分析,得到系统的线性状态空间表达式。其次,对比分析了PID控制器和LQR控制器实现直线二级倒立摆的控制仿真实验,结果表明,PID实现的控制器数量多、控制效果差,而LQR控制器实现的直线二级倒立摆控制准确性优于PID控制,但LQR控制器参数选取过程偏经验化,可优化参数数量少,造成控制精度不高。最后,针对LQR控制器参数选取问题,采用粒子群算法对LQR控制器参数进行优化,通过一个LQR控制实现对小车位移、小车速度、摆杆1角度和角速度、摆杆2角度和角速度进行参数优化。在实验设备平台上进行验证,粒子群算法优化后的LQR控制器提高了直线二级倒立摆控制的稳定性和准确性,实现了摆杆偏离平衡后自恢复状态,并维持在平衡稳定状态。实验结果表明,粒子群优化算法实现了对LQR直线二级倒立摆控制系统的优化,对改善直线二级倒立摆控制系统稳定性能具有极其重要的理论意义,为倒立摆系统的实际应用奠定了理论基础,具有一定的应用价值。