現(xiàn)代控制理論課程教學大綱

1、現(xiàn)代控制理論課程教學大綱課程名稱：現(xiàn)代控制理論課程代碼：ELEA3024英文名稱：ModernControlTheory課程性質(zhì)：專業(yè)選修課程學分/學時：2學分/36學時開課學期：第6學期適用專業(yè)：電氣工程及其自動化先修課程：高等數(shù)學、線性代數(shù)、復變函數(shù)與積分變換、自動控制原理、普通物理、電路原理后續(xù)課程：無開課單位：機電工程學院課程負責人：楊歆豪大綱執(zhí)筆人：高瑜大綱審核人：余雷一、課程性質(zhì)和教學目標（在人才培養(yǎng)中的地位與性質(zhì)及主要內(nèi)容，指明學生需掌握知識與能力及應達到的水平）課程性質(zhì)：現(xiàn)代控制理論是電氣工程及自動化專業(yè)的一門專業(yè)選修課程。區(qū)別于經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)，

2、主要研究系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)量的運動規(guī)律，并提出了能控性、能觀測性、李雅普諾夫穩(wěn)定性理論、極點配置、狀態(tài)觀測器設計、最優(yōu)控制等線性系統(tǒng)分析方法。重在培養(yǎng)學生扎實的理論基礎(chǔ)及控制系統(tǒng)的設計能力。教學目標：通過本課程的教學，使學生掌握現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容，為后續(xù)課程的學習以及從事復雜的過程控制工作打下基礎(chǔ)。本課程的具體教學目標如下：1 .掌握如何根據(jù)系統(tǒng)物理機制建立狀態(tài)空間表達式的具體方法，培養(yǎng)學生對電路、機械等實際控制系統(tǒng)的建模能力；2 .掌握如何運用狀態(tài)空間方法對實際系統(tǒng)的進行分析，培養(yǎng)學生對現(xiàn)代控制方法的設計能力。教學目標與畢業(yè)要求的對應關(guān)系:畢業(yè)要求指標點課程目標對應關(guān)系說明畢業(yè)要求4:研究4-

3、1能夠基于電氣工程及其自動化專業(yè)知識，進行相關(guān)實驗方案的設計教學目標1建立實際系統(tǒng)的數(shù)學模型，是設計相關(guān)實驗、分析系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。畢業(yè)要求12:終身學習12-2能針對個人或職業(yè)的發(fā)展需求，采用合適的方法持續(xù)學習和提升，建立學習知識和拓展能力的途徑教學目標2具備控制方法的初步設計能力，為學生在今后持續(xù)學習及工作過程中解決實際控制問題奠定了一定的理論基礎(chǔ)。二、課程教學內(nèi)容及學時分配（含課程教學、自學、作業(yè)、討論等內(nèi)容和要求，指明重點內(nèi)容和難點內(nèi)容）（重點內(nèi)容：；難點內(nèi)容：？）1、緒論（2學時）（支撐教學目標1）1.1 控制理論的性質(zhì)1.2 控制理論的發(fā)展1.3 控制理論的應用1.4 控制一個動態(tài)系

4、統(tǒng)的幾個基本步驟。目標及要求：1.5 確本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務以及學習本課程的意義。2） 了解控制理論的發(fā)展概況，以及現(xiàn)代控制理論的主要特點，內(nèi)容和研究方法。討論內(nèi)容：現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制的特點比較。作業(yè)內(nèi)容：復習與回顧線性代數(shù)中矩陣的基本運算方法。2、控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式（8學時）（支撐教學目標1）2.1 狀態(tài)變量及狀態(tài)空間表達式2.2 狀態(tài)空間表達式的模擬結(jié)構(gòu)圖2.3 狀態(tài)空間表達式的建立2.4 狀態(tài)矢量的線性變換？2.5 從狀態(tài)空間表達式求傳遞函數(shù)矩陣目標及要求：2.6 了解狀態(tài)空間法的基本概念。2）掌握根據(jù)系統(tǒng)物理機理來建立狀態(tài)空間表達式的具體方法。3）掌握系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)圖的繪制

5、方法。4）掌握如何利用線性變換改變狀態(tài)空間表達式的結(jié)構(gòu)形式。5）掌握狀態(tài)空間表達式與傳遞函數(shù)矩陣間互相轉(zhuǎn)換的計算方法。討論內(nèi)容：同一系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式的非唯一性。作業(yè)內(nèi)容：1）給定電路及機械運動系統(tǒng)求狀態(tài)空間表達式。2）給定系統(tǒng)傳遞函數(shù)求四種狀態(tài)空間表達式的標準形式。3）給定系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式求傳遞函數(shù)。自學拓展：利用狀態(tài)空間法對生活中的某一控制系統(tǒng)進行數(shù)學模型的建立。3、控制系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式的解（6學時）（支撐教學目標1）3.1 線性定常齊次狀態(tài)方程的解3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣3.3 線性定常系統(tǒng)非齊次方程的解3.4 連續(xù)時間狀態(tài)空間表達式的離散化？目標及要求：1） 了解狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的基本概念

6、。2）掌握狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的幾種不同求法。3）掌握線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程的求解方法。4）掌握連續(xù)系統(tǒng)的離散化方法。討論內(nèi)容：求解狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣幾種方法間的對比。作業(yè)內(nèi)容：1）利用拉普拉斯變換及凱萊-哈密爾頓定理兩種方法分別求解系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。2）求系統(tǒng)在單位階躍信號作用下的狀態(tài)方程的解。3）已知連續(xù)時間狀態(tài)空間表達式，求離散時間狀態(tài)空間表達式。自學拓展：近似離散化方法的實際應用。4、線性系統(tǒng)的能控性與能觀測性（6學時）（支撐教學目標2）4.1 能控性與能觀性的定義4.2 線性定常系統(tǒng)的能控性與能觀性判別4.3 狀態(tài)空間表達式的能控標準型與能觀標準型4.4 線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解？目標及要求：1）掌握線性

7、系統(tǒng)能控性與能觀性的定義及判別方法。2）掌握線性系統(tǒng)能控標準型與能觀標準型的建立方法。3）掌握線性系統(tǒng)按能控性與能觀性進行結(jié)構(gòu)分解的方法。討論內(nèi)容：狀態(tài)空間表達式的最小實現(xiàn)問題作業(yè)內(nèi)容：1）已知狀態(tài)空間表達式，求系統(tǒng)的能控性（判別）矩陣與能觀性（判別）矩陣，并判斷能控性與能觀性。2）運用線性變換求解系統(tǒng)的能控標準型與能觀標準型。3）運用線性變換對系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分解。自學拓展：傳遞函數(shù)中零極點對消與狀態(tài)能控性和能觀性之間的關(guān)系。5、穩(wěn)定性與李雅普諾夫方法（6學時）（支撐教學目標2）5.1李雅普諾夫穩(wěn)定性定義5.2李雅普諾夫第一法與第二法5.3李雅普諾夫方法在線性系統(tǒng)中的應用？目標及要求：1）正確理

8、解穩(wěn)定性基本概念和李雅普諾夫意義穩(wěn)定性概念。2）掌握線性系統(tǒng)漸近穩(wěn)定性分析方法。討論內(nèi)容：如何尋找滿足判據(jù)條件的李雅普諾夫函數(shù)。作業(yè)內(nèi)容：1）李雅普諾夫第一法判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。2）李雅普諾夫第二法分析系統(tǒng)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性。自學拓展：離散時間系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。6、線性定常系統(tǒng)的綜合（4學時）（支撐教學目標2）6.1反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6.2極點配置問題？6.3狀態(tài)觀測器目標及要求：1）理解狀態(tài)反饋的基本概念。2）掌握通過狀態(tài)反饋的手段進行極點配置的方法。3）了解狀態(tài)觀測器定義及實現(xiàn)方法。作業(yè)內(nèi)容：1）求解狀態(tài)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的表達式及對應的模擬結(jié)構(gòu)圖。2）根據(jù)指定閉環(huán)系統(tǒng)極點設計狀態(tài)反饋控制器。3）

9、設計狀態(tài)觀測器滿足極點要求。自學拓展：系統(tǒng)的解耦問題7、最優(yōu)控制（4學時）（支撐教學目標2）7.1 最優(yōu)化問題的數(shù)學描述7.2 靜態(tài)最優(yōu)問題的解7.3 最優(yōu)控制問題的描述目標及要求：1） 了解最優(yōu)化問題的基本概念。2）掌握靜態(tài)最優(yōu)問題的求解方法。3）了解最優(yōu)化控制問題的基本概念。作業(yè)內(nèi)容：1）寫出最優(yōu)控制問題的前提條件及性能指標形式。2）求解一元與多元函數(shù)的極值點與極值。自學拓展：離散時間系統(tǒng)的最優(yōu)控制描述。三、教學方法在教學方式上，根據(jù)具體教學內(nèi)容，綜合運用課堂講授、課堂討論、課堂練習、發(fā)現(xiàn)學習法和自學指導法，并通過引入問題和啟發(fā)式教學，使學生更加明確教學內(nèi)容的知識體系，引導學生主動學習，激

10、發(fā)內(nèi)在學習動機，提高課堂的積極性，通過課后習題，強化所學知識的理解和運用，培養(yǎng)學生解決問題的能力。同時，該課程中增加的特色教學方法說明如下：1 .教學中增加實際系統(tǒng)案例在課程講解過程中通過實際系統(tǒng)案例結(jié)合課本內(nèi)容進行講解，以提高學生的學習興趣，可避免學生出現(xiàn)只關(guān)注計算方法和計算過程，而忽略了具體系統(tǒng)的概念及為什么要采用這種方法的情況。例如在狀態(tài)空間表達式這部分內(nèi)容的教學過程中，只講解如何由高階微分方程或傳遞函數(shù)來建立狀態(tài)空間表達式，學生往往只知道如何把方法生搬硬套的拿來完成計算得到結(jié)果，對過程中為什么設置這么多狀態(tài)變量，狀態(tài)變量和微分方程、傳遞函數(shù)的聯(lián)系并不關(guān)心，很容易將該課程變成數(shù)學課。如果

11、在教學過程中引入具體的工程案例，例如具體的電路、機械牽引、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)等，更容易讓學生建立起實際系統(tǒng)的概念，讓學生明白狀態(tài)空間法能解決的實際問題。2 .課堂中引入Matlab軟件進行計算和演示在課堂教學中利用計算機資源，使用Matlab仿真軟件，既可以提高學生的興趣，又可以代替手算解決一些復雜計算的問題并給出直觀的數(shù)據(jù)仿真結(jié)果。例如在極點配置這部分內(nèi)容的教學過程中，會涉及系統(tǒng)能控性的判別和系統(tǒng)特征值的運算，分析過程中計算會比較復雜。如果使用Matlab軟件可以很快的算出準確結(jié)果，節(jié)省不必要的計算時間。除此之外，Matlab還可將結(jié)果數(shù)據(jù)以圖像的形式演示出來，學生可以有更直觀的認識，并加深對方法的掌握程度。另外,Matlab自帶的工具箱及命令語句的運用簡化