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对单级倒立摆系统自摆起和平衡控制问题进行了研究，分别采用Bang-Bang最短时间控制和线性二次型最优输出调节控制（LQY）对其进行了控制。首先，使用牛顿—欧拉方程推导了倒立摆系统的动力学模型，基于此模型在MATLAB/Simulink中建立了SimMechanics可视化仿真系统。利用Bang-Bang控制和LQY控制理论，设计了单级倒立摆快速自摆起和稳定平衡控制算法。最后，通过仿真结果验证了该最优控制算法简单高效，同时具有响应速度快、消耗能量少、稳态精度高等优点，实现了最优控制的预期目标。