倒立摆系统作为一种典型的欠驱动、非线性、强耦合的自然不稳定系统,对其控制的实时性要求极高,由于其系统特性与工业中许多非线性系统的特性极其相似,因此对倒立摆系统的研究不仅可以评判各种控制算法优缺点,同时也具有很重要的工程实际意义。本文首先通过拉格郎日方程建立一、二级环形倒立摆的数学模型,然后对各级倒立摆设计了PID、极点配置法、LQR控制这几种传统的稳摆控制器、模糊及基于能量的起摆控制器,通过Matlab/Simulink完成了仿真验证。而后利用Matlab GUI友好的人机交互界面进行了实验系统界面的搭建,最后在环形倒立摆实验平台上进行了实验验证,通过仿真及实验分析了几种控制器各自的控制特点。另外还提出了一种鲁棒控制法的稳摆控制器,在不对模型进行线性化处理的基础上直接进行控制器的设计,通过仿真实验验证了这种控制器的快速性以及良好的鲁棒性。传统倒立摆的建模均通过受力分析,利用拉格朗日方程对倒立摆进行数学建模,这种建模方式需要对倒立摆实物模型进行理想化处理,且后期得到系统状态空间方程时需要对模型进行线性化处理,影响了建立模型的精度。本文通过三维软件与SimMechanics进行联合建模的方式得到倒立摆的物理模型,在此基础上进行仿真调试。不仅使仿真过程可视化并以3D动画形式展现,并且通过实验证明了此种建模方式的高效性、准确性。通过研究分析了几种经典控制理论的优缺点,同时验证了提出的鲁棒控制算法以及一种基于能量的起摆控制算法良好的适用性;此外通过三维软件与仿真软件联合建模仿真,极大地提高了产品开发效率、提高了建模的可靠性。