倒立摆系统的研究，既可以直观地表现许多抽象的控制概念，解决控制领域中的一些典型问题，检验某种控制方法或控制理论是否有解决非线性和不稳定性问题的能力，其研究成果又可以应用于机器人、军工、航天科技及一般工业过程等诸多领域，具有重要的理论和工程价值。本文针对目前倒立摆控制研究中，仿真控制多、实时控制少，直线型倒立摆研究较多，环形倒立摆控制研究少等现状，以环形倒立摆体系为研究对象，分别利用滑模变结构控制理论和线性二次型性能指标的最优控制理论，对环形单级倒立摆系统进行了实时控制研究。1、环形单级倒立摆的结构、数学建模和性能分析。首先对环形单级倒立摆体系的结构和工作原理进行了分析，在此基础上，采用拉格朗日方法，推导出了环形单级倒立摆的数学模型。接着对环形倒立摆系统进行了稳定性和能控性分析，结果表明：系统是开环不稳定系统，且系统完全能控。2、基于滑模变结构控制器的环形单级倒立摆稳定控制及实现。在对环形单级倒立摆系统的等效控制和滑模运动的稳定性分析基础上，进行环形单级倒立摆系统滑模控制器设计和环形单级倒立摆的滑模变结构控制实时控制。在Matlab/simulink中搭建出环形单级倒立摆的系统模型，并将其封装，确定了优化参数，此时连杆的运动非常平稳，摆杆成功起摆，但稳定时间不长。3、基于LQR的环形单级倒立摆最优控制及实现。首先进行了LQR控制器的设计，并利用粒子群优化算法确定最优加权矩阵Q和R和相应的最优反馈增益矩阵K；并以该最优加权矩阵Q和R为参数开展了基于LQR的环形单级倒立摆实时控制研究，结果表明，摆杆成功实现了起摆和稳定控制。