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针对非线性不稳定磁悬浮小球系统，研究了内模控制器的设计方法。采用机理分析法建立了系统的近似化线性模型，考虑系统的不稳定特性，首先利用PD控制的反馈内回路进行镇定，然后针对稳定的广义对象设计了内模PID控制器。通过与常规PID控制进行仿真比较，结果表明该方法可以获得更好的跟踪性能和鲁棒性，另外，对磁悬浮小球系统的实时控制实验效果证实了该方法的有效性。