倒立摆系统是一种典型的不稳定、多变量、欠驱动、强耦合、非最小相位的非线性系统。在控制过程中,倒立摆系统可以有效的反映出控制系统的非线性、鲁棒性、镇定性、随动性等诸多问题,因此,在控制领域中经常使用倒立摆来检验新的控制方法和算法的有效性。同时,倒立摆也在航空航天、军事领域、机械系统、机器人等领域得到了广泛应用。本文首先对倒立摆系统的研究背景以及国内外发展现状进行了阐述,并介绍了倒立摆的分类及其基本结构。其次,对倒立摆系统常用的几种控制方法进行了分析,根据倒立摆系统的特点,运用拉格朗日方程法详细推导了倒立摆系统的建模过程。为实现倒立摆系统的稳定控制和跟踪控制,本文根据不同类型倒立摆系统的特征,分别为直线倒立摆、X-Z平面倒立摆和三维空间倒立摆设计了PID控制系统,并通过MATLAB/Simulink仿真验证了所设计的控制系统的可行性和有效性。同时,为了降低倒立摆PID控制系统中控制参数的整定难度,本文采用粒子群算法、混合蛙跳算法和差分进化算法三种智能优化算法分别对不同类型倒立摆控制系统中的控制参数进行了优化,并且通过仿真实验验证了经过优化后的控制系统性能得到了有效提升。另外,本文参考交流电机控制领域经常使用的级联控制方法,分别为X-Z平面倒立摆和三维空间倒立摆设计了级联控制结构。通过级联控制结构,将倒立摆控制系统分解为外部位置控制环和内部姿态控制环,并实现了时间尺度的分离,降低了倒立摆控制系统的设计难度,通过仿真实验验证了级联控制结构的有效性和优越性。最后,为了更容易的观察到控制过程中被控对象的所有自由度,帮助人们对整个系统做出更加准确的初步评估,使人们更加直观的理解动态模型的最终结果,本文使用V-Realm Builder工具绘制了三维空间倒立摆的3D虚拟现实模型,并且通过虚拟现实工具箱中的VR Sink模块建立了3D虚拟现实模型与MATLAB/Simulink模型之间的连接,最终,通过动态仿真在虚拟现实场景中展示了三维空间倒立摆跟踪控制过程。