倒立摆系统是一个典型的单输入、多输出的系统。它囊括了控制理论中的许多典型问题：鲁棒性问题、跟踪性问题、随动性等问题，是控制领域的典型研究对象，同时它的研究有着很重要的实际意义，许多实际工程的控制对象都是基于倒立摆的模型，其中包括航空航天、双足机器人的步态规划和其他一般的工业控制等。对于倒立摆系统的研究，学者们不单单局限于关注对其理论分析和控制算法的仿真及其优化，越来越多的人投入到硬件平台的搭建和倒立摆实物控制中。本课题将实验室现有的固高天龙I型直线二级倒立摆作为研究对象，通过对倒立摆装置的各个参数的测量，分别用牛顿力学定理和拉格朗日方程法对该系统建立一级和二级数学模型；通过分析系统模型，得到系统的能控能观性与相对能控度。通过matlab分别选取经典控制理论中的PID控制算法和线性控制理论中的最优控制理论（LQR）对该系统的二级模型进行仿真，由仿真结果知LQR的控制效果更好。硬件部分中，改造原有的GT-400-SV-PCI运动控制卡结构，利用TMS320LF2407作为核心控制搭建一个基于数字信号处理器(DSP)的最小系统。整个硬件系统由反馈模块、受控模块、决策模块、驱动模块、通讯模块、行程保护模块组成。软件部分，完成了数据的采集和滤波、并移植LQR法至微控制器中，通过计算电机输出量控制系统的平衡。整个论文既有动力学模型的推导分析，又有控制算法的仿真与实际实物的调试验证，它对相关理论教学和双足机器人的研究有着指导意义。最后，对本论文进行了总结，对下一步要进行的工作提出了自己的设想及该课题未来发展趋势的展望。