《現(xiàn)代控制理論》學習指南

第1章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型【內(nèi)容提要】本章主要介紹系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型及其建立方法。具體內(nèi)容包括狀態(tài)空間模型的機理建模方法，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間模型之間的相互轉(zhuǎn)換、MATLAB的相關函數(shù)，狀態(tài)空間模型的分析及相關性質(zhì)?！緦W習目標】本章從系統(tǒng)模型角度出發(fā)，重點介紹基于狀態(tài)空間描述的系統(tǒng)模型及其建立方法，包括狀態(tài)空間模型的機理建模方法，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間模型之間的相互轉(zhuǎn)換、MATLAB的相關函數(shù)，狀態(tài)空間模型的分析及相關性質(zhì)，等基本知識。要求熟悉和掌握狀態(tài)空間模型的機理建模方法、系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間模型之間的相互轉(zhuǎn)換、狀態(tài)空間模型的分析及相關性質(zhì)等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎?！緦W習重點】（1）系統(tǒng)狀態(tài)空間模型及其機理建模方法；（2）系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間模型之間的相互轉(zhuǎn)換；（3）系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的分析及相關性質(zhì)?！緦W習難點】（1）由系統(tǒng)的傳遞函數(shù)導出系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；（2）系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的基本性質(zhì)?！緦W習方法】先從簡單、特殊例子入手，總結(jié)歸納相關方法，再將該方法推廣到復雜、一般的系統(tǒng)。結(jié)合MatLab實驗，驗證所得結(jié)果的正確性?！颈菊滦〗Y(jié)】本章重點講解了系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的機理建模方法、系統(tǒng)傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間模型之間的相互轉(zhuǎn)換、MATLAB的相關函數(shù)，以及系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的基本性質(zhì)。通過學習，要求學生熟悉和掌握狀態(tài)空間模型的機理建模方法、系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間模型之間的相互轉(zhuǎn)換、狀態(tài)空間模型的分析及相關性質(zhì)等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎。

第2章系統(tǒng)的運動分析【內(nèi)容提要】本章主要介紹系統(tǒng)的運動及其分析方法。具體內(nèi)容包括齊次狀態(tài)方程的解、狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣及其計算方法、非齊次狀態(tài)方程的解、使用MATLAB對狀態(tài)空間模型的分析、離散時間狀態(tài)空間模型的分析?！緦W習目標】本章從系統(tǒng)運動分析出發(fā)，重點介紹齊次狀態(tài)方程的解、狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣及其計算方法、非齊次狀態(tài)方程的解、使用MATLAB對狀態(tài)空間模型的分析、離散時間狀態(tài)空間模型的分析等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎?！緦W習重點】（1）狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的性質(zhì)；（2）狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的計算方法；（2）非齊次狀態(tài)方程的解；（3）離散時間狀態(tài)空間模型的分析?！緦W習難點】（1）狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的性質(zhì)；（2）狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的計算。【學習方法】采用從簡單到復雜、從特殊到一般的思路來分析系統(tǒng)(A,B,C,D)的求解方法，引進狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的概念，給出狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的計算方法，介紹在MATLAB環(huán)境下根據(jù)狀態(tài)空間模型確定系統(tǒng)時間響應的方法，最后介紹連續(xù)狀態(tài)空間模型的離散化方法?！颈菊滦〗Y(jié)】本章重點講解了狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣及其計算方法、（非）齊次狀態(tài)方程的解、使用MATLAB對狀態(tài)空間模型的分析、離散時間狀態(tài)空間模型的分析。通過學習，要求學生熟練掌握狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的性質(zhì)，掌握狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的計算方法和（非）齊次狀態(tài)方程的解，熟悉使用MATLAB對狀態(tài)空間模型的分析，掌握離散時間狀態(tài)空間模型的分析等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎。

第3章能控性和能觀性分析【內(nèi)容提要】本章主要介紹狀態(tài)空間模型的能觀性和能觀性及其判別方法。具體內(nèi)容包括系統(tǒng)的能控性、系統(tǒng)的能觀性、能控能觀性的對偶原理，以及基于傳遞函數(shù)的能控能觀性條件?！緦W習目標】本章將給出系統(tǒng)能控性和能觀性的定義，介紹判別系統(tǒng)能控性和能觀性的一些主要方法，分析能控性和能觀性的一些性質(zhì)。要求熟悉和掌握能控性和能觀性的定義、性質(zhì)和判別方法，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎?！緦W習重點】（1）系統(tǒng)的能控性定義、性質(zhì)和判別方法；（2）系統(tǒng)的能觀性定義、性質(zhì)和判別方法；（3）能控性與能觀性對偶原理；（4）基于傳遞函數(shù)的能控能觀性條件?！緦W習難點】（1）由系統(tǒng)的能控性、能觀性定義；（2）能控性與能觀性對偶原理；（3）基于傳遞函數(shù)的能控能觀性條件?！緦W習方法】以RLC電路系統(tǒng)為例，詳細講解系統(tǒng)能控性概念，再結(jié)合對偶性原理講解系統(tǒng)能觀性概念及其判別方法。從先傳遞函數(shù)零極點相消分析系統(tǒng)的能控性和能觀性?！颈菊滦〗Y(jié)】本章重點講解了狀態(tài)空間模型的能觀性和能觀性及其判別方法。具體內(nèi)容包括系統(tǒng)的能控性、系統(tǒng)的能觀性、能控能觀性的對偶原理，以及基于傳遞函數(shù)的能控能觀性條件。通過學習，要求學生熟悉和掌握狀態(tài)空間模型的能觀性和能觀性及其判別方法、能控能觀性的對偶原理，以及基于傳遞函數(shù)的能控能觀性條件等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎。

第4章系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析【內(nèi)容提要】本章主要介紹李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性定義和定理，線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，李雅普諾夫穩(wěn)定性方法在控制系統(tǒng)分析中的應用，以及離散時間系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析?！緦W習目標】本章將詳細介紹李雅普諾夫關于系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義，基于李雅普諾夫第二方法的穩(wěn)定性定理及其應用。要求熟悉和掌握李雅普諾夫意義下的系統(tǒng)穩(wěn)定性定義，基于李雅普諾夫第二方法的穩(wěn)定性定理及其應用等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎?！緦W習重點】（1）李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性定義和定理；（2）線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；（3）離散時間系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。【學習難點】（1）李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性定義；（2）線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析?！緦W習方法】以小球運動能量變化過程為例，詳細講解李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性定義、定理。再考慮連續(xù)時間、離散時間線性系統(tǒng)，建立相關穩(wěn)定性結(jié)果。【本章小結(jié)】本章重點講解了李雅普諾夫關于系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義、基于李雅普諾夫第二方法的穩(wěn)定性定理及其應用等基本穩(wěn)定性理論。通過學習，要求學生熟悉和掌握李雅普諾夫關于系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義、基于李雅普諾夫第二方法的穩(wěn)定性定理、了解基于李雅普諾夫第二方法的穩(wěn)定性應用等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎。

第5章狀態(tài)反饋控制器設計【內(nèi)容提要】本章以狀態(tài)空間模型描述的線性時不變系統(tǒng)為研究對象，介紹狀態(tài)反饋控制器的一些設計方法。首先介紹反饋控制的種類、結(jié)構(gòu)及其對系統(tǒng)性能的影響。進而，介紹改善系統(tǒng)動態(tài)性能的極點配置方法，提出極點配置狀態(tài)反饋控制律的設計算法。針對極點配置方法可能影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的問題，介紹了實現(xiàn)精確跟蹤的控制系統(tǒng)設計方法。最后，通過一些具體實例說明了這些方法的應用。【學習目標】本章以狀態(tài)空間模型描述的線性時不變系統(tǒng)為研究對象，介紹了線性反饋控制系統(tǒng)、穩(wěn)定化狀態(tài)反饋控制器設計、線性系統(tǒng)極點配置、跟蹤控制器設計等基本知識。要求熟練掌握線性系統(tǒng)極點配置，掌握線性反饋控制系統(tǒng)、穩(wěn)定化狀態(tài)反饋控制器設計、跟蹤控制器設計等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎?！緦W習重點】（1）線性反饋控制系統(tǒng)；（2）穩(wěn)定化狀態(tài)反饋控制器設計；（3）線性系統(tǒng)極點配置；（4）跟蹤控制器設計?！緦W習難點】（1）線性系統(tǒng)極點配置；（2）跟蹤控制器設計?！颈菊滦〗Y(jié)】本章重點講解了線性反饋控制系統(tǒng)、穩(wěn)定化狀態(tài)反饋控制器設計、線性系統(tǒng)極點配置、跟蹤控制器設計等基本知識。通過學習，要求熟練掌握線性系統(tǒng)極點配置，掌握線性反饋控制系統(tǒng)、穩(wěn)定化狀態(tài)反饋控制器設計、跟蹤控制器設計等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎。

第6章狀態(tài)觀測器設計【內(nèi)容提要】本章主要介紹系統(tǒng)的觀測器及其設計方法。具體內(nèi)容包括觀測器設計、基于觀測器的控制器設計、降階觀測器設計等基本內(nèi)容?！緦W習目標】本章重點介紹線性系統(tǒng)的觀測器設計、基于觀測器的控制器設計、降階觀測器設計等基本知識。要求熟悉和掌握觀測器的設計方法、基于觀測器的控制器設計方法，熟悉降階觀測器設計方法等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎。【學習重點】（1）線性系統(tǒng)的觀測器設計；（2）基于觀測器的控制器設計；（3）降階觀測器設計。【學習難點】（1）線性系統(tǒng)的觀測器設計；（2）分離性原理；（3）降階觀測器設計。【本章小結(jié)】本章重點講解了線性系統(tǒng)的觀測器設計、基于觀測器的控制器設計、降階觀測器設計等基本知識。通過學習，要求學生熟悉和掌握觀測器的設計方法、基于觀測器的控制器設計方法，熟悉降階觀測器設計方法等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎。

第7章線性二次型最優(yōu)控制【內(nèi)容提要】本章主要介紹線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制方法。具體內(nèi)容包括二次型最優(yōu)控制、應用MATLAB求解二次型最優(yōu)控制問題、離散時間系統(tǒng)的線性二次型最優(yōu)控制等基本內(nèi)容?！緦W習目標】本章重點介紹線性系統(tǒng)的二次型最優(yōu)控制、應用MATLAB求解二次型最優(yōu)控制問題、離散時間系統(tǒng)的線性二次型最優(yōu)控制等基本知識。要求熟悉和掌握二次型最優(yōu)控制、應用MATLAB求解二次型最優(yōu)控制問題、離散時間系統(tǒng)的線性二次型最優(yōu)控制等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎。【學習重點】（1）線性系統(tǒng)二次型最優(yōu)控制；（2）應用MATLAB求解二次型最優(yōu)控制問題；（3）離散時間系統(tǒng)的線性二次型最優(yōu)控制。【學習難點】（1）線性系統(tǒng)二次型最優(yōu)控制問題?！緦W習方法】結(jié)合當前工業(yè)過程的節(jié)能減排控制入手，講解最小能量問題，進而引出二次型最優(yōu)控制問題及其理論分析?！颈菊滦〗Y(jié)】本章重點講解了線性系統(tǒng)的二次型最優(yōu)控制、應用MATLAB求解二次型最優(yōu)控制問題、離散時間系統(tǒng)的線性二次型最優(yōu)控制等基本知識。通過學習，要求學生熟悉和掌握二次型最優(yōu)控制、應用MATLAB求解二次型最優(yōu)控制問題、離散時間系統(tǒng)的線性二次型最優(yōu)控制等相關知識，為后續(xù)章節(jié)的學習打下良好的基礎。

第8章仿真實驗指導【內(nèi)容提要】本章對《現(xiàn)代控制理論》仿真實驗進行介紹，主要內(nèi)容包括利用MATLAB進行傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間模型間的轉(zhuǎn)換、利用MATLAB對狀態(tài)空間模型進行分析、利用MATLAB導出連續(xù)狀態(tài)空間模型的離散化模型、利用MATLAB求解極點配置問題、利用MATLAB設計狀態(tài)觀測器、利用MATLAB設計線性二次型最優(yōu)控制器。【學習目標】通過上機操作，深刻理解現(xiàn)代控制