現(xiàn)代控制理論課程教學大綱

現(xiàn)代控制理論課程教學大綱一、課程基本信息課程編號：201404103課程中文名稱：現(xiàn)代控制理論課程英文名稱：ModernControlTheory課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課程開課專業(yè)：自動化、測控技術(shù)與儀器、電氣工程及其自動化、探測制導與控制技術(shù)開課學期：6總學時：40（其中理論36學時，實驗4學時，上機0學時，其它0學時）總學分：2.5二、課程目標目標1：掌握線性系統(tǒng)狀態(tài)空間法的基本概念和建模方法，能夠針對船舶控制及自動化系統(tǒng)、測控與導航系統(tǒng)、電力與電氣傳動系統(tǒng)、船舶電力系統(tǒng)、探測制導系統(tǒng)等復雜系統(tǒng)的特點選擇恰當方法進行狀態(tài)空間建模。（對應指標點5-3）目標2：掌握線性系統(tǒng)定量和定性分析方法，能夠綜合運用相關(guān)知識分析船舶控制及自動化系統(tǒng)、測控與導航系統(tǒng)、電力與電氣傳動系統(tǒng)、探測制導系統(tǒng)等復雜系統(tǒng)的工程問題。（對應指標點1-4）。目標3：掌握線性系統(tǒng)的設(shè)計方法，能夠針對船舶控制及自動化系統(tǒng)、測控與導航系統(tǒng)、電力與電氣傳動系統(tǒng)、探測制導系統(tǒng)等復雜系統(tǒng)的設(shè)計需求進行系統(tǒng)分析，并結(jié)合分析結(jié)論設(shè)計系統(tǒng)的控制解決方案。（對應指標點3-1）本課程的目標是使學生掌握線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間基本分析與設(shè)計方法，通過本課程的教學和倒立擺實驗，使學生掌握實際控制系統(tǒng)數(shù)學模型建立，能控性、能觀性和穩(wěn)定性分析，極點配置控制器設(shè)計以及系統(tǒng)調(diào)試的方法等，為今后的學習和成為合格的工程技術(shù)人員奠定扎實的基礎(chǔ)。三、教學基本要求1、通過學習線性系統(tǒng)狀態(tài)空間法的基本概念和建模方法，能夠?qū)顟B(tài)空間法應用于多輸入多輸出復雜系統(tǒng)，建立復雜系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述。掌握線性系統(tǒng)外部描述和狀態(tài)空間描述的基本概念；掌握建立復雜物理系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述的方法；掌握能控規(guī)范形、能觀測規(guī)范形、對角線規(guī)范形和約當規(guī)范形的形式、存在條件；掌握狀態(tài)空間實現(xiàn)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的外部描述和內(nèi)部描述之間的相互轉(zhuǎn)換；掌握線性系統(tǒng)的坐標變換方法和特性，能夠?qū)崿F(xiàn)不同狀態(tài)空間描述形式間的轉(zhuǎn)化；掌握建立組合系統(tǒng)狀態(tài)空間描述的方法。（對應目標1）2、能夠應用線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法對船舶控制及自動化系統(tǒng)、測控與導航系統(tǒng)、電力與電氣傳動系統(tǒng)、探測制導系統(tǒng)等復雜系統(tǒng)進行分析。掌握線性系統(tǒng)的運動分析方法；掌握線性系統(tǒng)的能控性和能觀性的定義、判別方法；掌握線性系統(tǒng)按能控性、能觀性結(jié)構(gòu)分解的方法；掌握系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念、穩(wěn)定性判別定理，能夠判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；掌握對偶系統(tǒng)和對偶原理；掌握系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定和外部穩(wěn)定的關(guān)系。（對應目標2）3、能夠應用線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計方法對船舶控制及自動化系統(tǒng)、測控與導航系統(tǒng)、電力與電氣傳動系統(tǒng)、探測制導系統(tǒng)等復雜系統(tǒng)進行綜合。掌握狀態(tài)反饋的基本概念和狀態(tài)反饋設(shè)計方法，能夠針對多輸入輸出線性系統(tǒng)進行狀態(tài)反饋極點配置并實驗驗證；了解狀態(tài)反饋和輸出反饋的基本概念和狀態(tài)空間描述；了解狀態(tài)觀測器的基本概念；掌握態(tài)觀測器的設(shè)計方法；掌握分離原理，能夠?qū)跔顟B(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)進行設(shè)計并實驗驗證。（對應目標3）四、教學內(nèi)容與學時分配1緒論(2學時)1.1控制理論發(fā)展過程1.2線性系統(tǒng)理論的數(shù)學基礎(chǔ)2線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述（7學時）2.1系統(tǒng)的輸入輸出描述2.2線性系統(tǒng)狀態(tài)空間描述2.3化輸入輸出描述為狀態(tài)空間描述以及線性系統(tǒng)在坐標變換下的特性2.4狀態(tài)方程的對角線規(guī)范形、約當規(guī)范形2.5組合系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述3線性系統(tǒng)的運動分析（3學時）3.1線性定常系統(tǒng)的運動分析3.2線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣3.3線性時變系統(tǒng)的運動分析4線性系統(tǒng)的能控性和能觀性（8學時）4.1線性系統(tǒng)能控性和能觀性的定義4.2線性系統(tǒng)的能觀測性判據(jù)和能控性判據(jù)4.3對偶原理4.4線性系統(tǒng)系統(tǒng)的能控規(guī)范形和能觀測規(guī)范形4.5線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解。5系統(tǒng)運動的穩(wěn)定性（8學時）5.1外部穩(wěn)定性和內(nèi)部穩(wěn)定性5.2李亞普諾夫意義下運動穩(wěn)定性的基本概念5.3李亞普諾夫第二法主要定理5.4線性系統(tǒng)狀態(tài)運動穩(wěn)定性判據(jù)6線性反饋系統(tǒng)的時間域綜合（8學時）6.1狀態(tài)反饋和輸出反饋6.2狀態(tài)反饋極點配置6.3狀態(tài)觀測器及其設(shè)計五、教學方法及手段教學方法：本課程理論性較強、內(nèi)容廣泛且抽象，課堂教學與課后作業(yè)相結(jié)合；講述過程中注意多舉例，理論知識講解與實際控制系統(tǒng)案例分析與設(shè)計相結(jié)合；一般理論知識介紹與重點例題、綜合性習題討論相結(jié)合；培養(yǎng)學生解決綜合性問題的能力。教學手段：板書教學、多媒體教學以及網(wǎng)絡(luò)資源相結(jié)合。其中，基本概念、基本定理采用板書教學與多媒體課件相結(jié)合的方式；實際控制系統(tǒng)案例分析主要借助多媒體等相關(guān)手段進行輔助演示，并利用板書進行設(shè)計與計算。六、實驗（或）上機內(nèi)容實驗：旋轉(zhuǎn)式倒立擺的狀態(tài)反饋控制器和狀態(tài)觀測器設(shè)計（4學時）根旋轉(zhuǎn)式倒立擺的模型，分析系統(tǒng)的能控性、能觀性及穩(wěn)定性，利用極點配置算法設(shè)計狀態(tài)反饋控制器，利用Matlab進行系統(tǒng)仿真，并進行實際系統(tǒng)調(diào)試，根據(jù)仿真及實際控制效果總結(jié)期望極點位置對系統(tǒng)性能的影響；設(shè)計狀態(tài)觀測器，利用Matlab進行對倒立擺系統(tǒng)仿真，分析引入狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)性能的影響。（對應教學要求3）七、前續(xù)課程、后續(xù)課程前續(xù)知識點要求：線性代數(shù)與解析幾何：行列式運算、矩陣計算復變函數(shù)與積分變換：拉氏變換自動控制理論：傳遞函數(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、閉環(huán)系統(tǒng)后續(xù)課程：船舶控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)仿真，系統(tǒng)工程導論八、參考教材及學習資源鄭大鐘.線性系統(tǒng)理論[M].清華大學出版社，2002[2]周武能，童東兵，代安定，石紅瑞.線性系統(tǒng)基礎(chǔ)理論[M].西安電子科技大學出版社，2014.[3]陸軍，王曉陵.線性系統(tǒng)理論[M].哈爾濱工程大學出版社，2006[4]段廣仁.線性系統(tǒng)理論[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004[5]仝茂達.線性系統(tǒng)理論和設(shè)計[M].中國科學技術(shù)大學出版社，2008[6]王顯峰等．自動控制系統(tǒng)實驗技術(shù)[M]．清華大學出版社，2014九、考核方式教學基本要求項考核形式占總成績的比例通過學習線性系統(tǒng)狀態(tài)空間法的基本概念和建模方法，能夠?qū)顟B(tài)空間法應用于多輸入多輸出復雜系統(tǒng)，建立復雜系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述。閉卷考試10%能夠應用線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法對船舶控制及自動化系統(tǒng)、測控與導航系統(tǒng)、電力與電氣傳動系統(tǒng)、探測