作为控制理论中一个经典问题,倒立摆的研究具有很重要的理论和工程意义。本文选取旋转式倒立摆作为研究对象,在深入研究了其结构原理并借鉴了国内外该领域研究成果的基础上,通过拉格朗日法建立了一级和二级旋转式倒立摆系统的数学模型,在平衡点附近局部线性化推导出系统状态空间表达式的通式,分析并验证了系统的自然不稳定性和可控可观性。探讨了倒立摆系统的几种典型控制算法:LQR法、可拓算法以及PID算法,建立和改进了Simulink模型进行仿真实验,验证了几种算法的可行性和有效性。在此基础上,设计了基于单片机的实验系统,构建了系统的机械结构部分,包括旋臂、摆杆和直流电机。控制系统设计包括系统硬件电路及软件设计。硬件部分采用角位移传感器WDX35D和模数转换器ADS7822构成了采样及ADC模块电路。主控芯片采用SST公司的89E516RD2,根据接收的传感器信号计算控制律,并通过其PCA模块产生PWM输出,以控制电机及驱动模块。以直流减速电机40JB20作为执行机构,采用直流电机驱动芯片LMD18200将PWM信号施加于执行电机。软件部分根据最基本的PID算法,给出了程序设计流程图并用C语言编写了控制程序。