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采用自动平衡控制系统作为物理仿真系统对水下机器人姿态角控制进行实验研究。结合具体系统设计了鲁棒方差控制器，分析了设计参数和系统参数变化对系统性能的影响。针对系统对大偏差和小偏差不同的要求，采用了LQR控制和鲁棒方差控制复合控制器；结合实际参数不确定范围确定了合理的设计参数范围；进一步结合实际调试中的具体问题确定了适当的系统参数。研究表明，LQR-鲁棒方差控制策略可以保证系统在较大范围的参数变化时保持稳定，有适当的带宽，并对随机干扰实现了合理的抑制。研究结果可供研制水下机器人控制系统参考。