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文檔簡介
《現(xiàn)代控制理論》課程教學(xué)大綱課程編碼:AL040180課程性質(zhì):自動化(專業(yè)核心課)、電氣工程及其自動化(任意選修課)適用專業(yè):自動化、電氣工程及其自動化學(xué)時學(xué)分:32學(xué)時2學(xué)分所需先修課:自動控制原理、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)與積分變換編寫單位:機電工程學(xué)院一、課程說明1.課程簡介本課程是電氣工程及其自動化類專業(yè)的專業(yè)任選課,是自動化專業(yè)的專業(yè)核心課程,是現(xiàn)代控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本課程主要學(xué)習(xí)復(fù)雜控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述,建立狀態(tài)空間方程,根據(jù)空間方程去判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能控、能觀性,結(jié)合李雅普諾夫穩(wěn)定判據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定分析。該課程的先修課是自動控制原理、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)與積分變換等,這些課程的學(xué)習(xí),為本課程奠定數(shù)學(xué)基礎(chǔ),通過本課程的學(xué)習(xí)也為后續(xù)的最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制奠定基礎(chǔ)。它將使學(xué)生們系統(tǒng)地學(xué)習(xí)并掌握現(xiàn)代控制理論的分析和設(shè)計方法,為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。2.教學(xué)目標(biāo)要求熟練掌握現(xiàn)代控制基本理論,能運用所學(xué)知識進(jìn)行系統(tǒng)建模、性能分析和綜合設(shè)計。3.教學(xué)重點難點1)掌握分析狀態(tài)空間的基本方法;2)深入理解系統(tǒng)的能控性、能觀性;3)正確建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程;4)熟練運用穩(wěn)定判據(jù)解決實際問題。4.學(xué)時分配表次序教學(xué)內(nèi)容理論課學(xué)時數(shù)第一部分緒論2第二部分狀態(tài)空間的基本方法6第三部分可控性與可觀性6第四部分線性系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)6第五部分李雅普洛夫穩(wěn)定性理論6第六部分最優(yōu)控制6總計325.主要教法、學(xué)法本課程以課堂講授為主、自學(xué)和討論為輔的方式開展教學(xué),著重對學(xué)生的分析問題能力、理論綜合能力以及實驗研究能力等方面的培養(yǎng)。研發(fā)并采用多媒體教學(xué)方式。6.考核方式及標(biāo)準(zhǔn)1)考核目的:考核學(xué)生對線性系統(tǒng)理論的基本知識、基本理論、工程設(shè)計計算方法等的理解和掌握程度,促進(jìn)學(xué)生提高分析和解決問題的能力。2)考核形式:筆試。3)主要考核內(nèi)容:狀態(tài)空間的基本結(jié)構(gòu),原理及運動特性,分析系統(tǒng)的基本方法,運用方程式、等效相量圖等方法對問題進(jìn)行定性分析和定量計算;系統(tǒng)時間和空間的關(guān)系。4)考核題型:填空,選擇,計算。5)成績評定:考試成績占總成績的60%,其他(包括考勤、作業(yè)、討論等)成績占總成績的40%。二、各部分教學(xué)綱要第一部分緒論(2學(xué)時)教學(xué)目標(biāo)通過緒論的學(xué)習(xí),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;了解課程學(xué)習(xí)方法、課程要求及考核方式;復(fù)習(xí)有關(guān)線性代數(shù)的內(nèi)容、知識。本部分重點逆矩陣、線性無關(guān)與線性相關(guān)定義、矩陣的特征值和特征向量的定義和求解,哈密爾頓定理,二次型及其正定性判別等。本部分難點矩陣秩的概念,矩陣的秩、逆矩陣的求法,線性無關(guān)與線性相關(guān)的判斷與應(yīng)用,矩陣的特征值和特征向量的求法,矩陣的正定性判別方法。教學(xué)內(nèi)容1.緒論2.狀態(tài)基本定理3.常用狀態(tài)矩陣的秩第二部分狀態(tài)空間的基本方法(6學(xué)時)教學(xué)目標(biāo)正確理解線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述,狀態(tài)空間的基本概念,熟練掌握狀態(tài)空間的表達(dá)式,線性變換。要求熟練掌握通過傳遞函數(shù)、微分方程和結(jié)構(gòu)圖建立電路、機電系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式,并畫出狀態(tài)變量圖;通過非奇異變換,化狀態(tài)方程為對角標(biāo)準(zhǔn)型和約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型。本部分重點狀態(tài)空間表達(dá)式的建立,線性變換的基本性質(zhì),傳遞函數(shù)矩陣的定義。本部分難點狀態(tài)變量選取的非唯一性,多輸入多輸出狀態(tài)空間表達(dá)式的建立,線性變換的不變性。教學(xué)內(nèi)容1.狀態(tài)空間的基本結(jié)構(gòu)2.空間的基本方程、等效相量圖3.等效參數(shù)的規(guī)劃第三部分可控性與可觀性(6學(xué)時)教學(xué)目標(biāo)正確理解線性系統(tǒng)的可控性與可觀測性的基本概念與判據(jù);正確理解對偶原理;熟練掌握線性定常連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的可控性與可觀測性判據(jù);熟練掌握化可控標(biāo)準(zhǔn)型與可觀標(biāo)準(zhǔn)型、規(guī)范分解的方法;正確理解傳遞函數(shù)的實現(xiàn)問題。本部分重點可控、可觀測的含義和定義,定常系統(tǒng)的可控、可觀測的各種判據(jù),通過線性變換得到可控標(biāo)準(zhǔn)型與可觀標(biāo)準(zhǔn)型、規(guī)范結(jié)構(gòu)分解;實現(xiàn)與最小實現(xiàn)的特點和性質(zhì)。本部分難點可控、可觀測的含義和定義,格蘭姆矩陣判據(jù);對系統(tǒng)作各種線性變換的意義和方法;最小實現(xiàn)的含義和求解方法。教學(xué)內(nèi)容1.可控性、可觀測性的含義和定義2.格蘭姆矩陣判據(jù)3.最小實現(xiàn)的含義和求解方法第四部分線性系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)(6學(xué)時)教學(xué)目標(biāo)熟練掌握狀態(tài)反饋與輸出反饋的原理和方法,熟練掌握通過狀態(tài)反饋進(jìn)行極點配置的方法、全維狀態(tài)觀測器設(shè)計方法以及分離原理,了解降維觀測器設(shè)計的思路和方法,理解系統(tǒng)解耦的基本思想。本部分重點狀態(tài)反饋與輸出反饋的基本結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和有關(guān)定理,單輸入、單輸出系統(tǒng)的極點配置,全維觀測器的設(shè)計,狀態(tài)反饋與觀測器的工程應(yīng)用。本部分難點狀態(tài)反饋與輸出反饋實現(xiàn)的充要條件,帶觀測器的閉環(huán)反饋系統(tǒng)設(shè)計。教學(xué)內(nèi)容1.狀態(tài)反饋與輸出反饋的原理和方法2.狀態(tài)反饋進(jìn)行極點配置3.全維狀態(tài)觀測器設(shè)計方法以及分離原理4.降維觀測器設(shè)計5.系統(tǒng)解耦第五部分線性系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)(6學(xué)時)教學(xué)目標(biāo)正確理解穩(wěn)定性基本概念和李雅普洛夫意義下穩(wěn)定性概念,了解李氏第一法,李氏第二法判穩(wěn)的基本思想,了解非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性定理與判別,熟練掌握線性定常系統(tǒng)漸近穩(wěn)定性分析的方法,掌握離散系統(tǒng)漸近穩(wěn)定性分析方法本部分重點李雅普諾夫第一、第二法的主要定義與定理,李雅普諾夫函數(shù),線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定性定理與判據(jù),李雅普諾夫方程,漸近穩(wěn)定性的分析與判別。本部分難點構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)的意義與方法,李雅普諾夫方程的求解。教學(xué)內(nèi)容1.穩(wěn)定性基本概念2.李雅普洛夫意義下穩(wěn)定性3.非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性定理與判別4.線性定常系統(tǒng)漸近穩(wěn)定性分析5.離散系統(tǒng)漸近穩(wěn)定性分析方法第六部分最優(yōu)控制(6學(xué)時)教學(xué)目標(biāo)掌握泛函變分法,理解最優(yōu)控制的一般概念,掌握利用變分法求最優(yōu)控制方法,狀態(tài)調(diào)節(jié)器,極小值原理以及離散動態(tài)規(guī)劃。本部分重點最優(yōu)控制的一般問題及類型,泛函與變分,歐拉方程,橫截條件,變分法求有約束和無約束的最優(yōu)控制,連續(xù)系統(tǒng)的極小值原理,有限和無限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器方法,Riccati方程求解。本部分難點變分法中各種邊界條件的最優(yōu)控制和最優(yōu)軌線的求法,哈密頓函數(shù)的構(gòu)造,離散動態(tài)規(guī)劃。教學(xué)內(nèi)容1.泛函變分法2.
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