《現(xiàn)代控制理論》課程教學(xué)大綱

《現(xiàn)代控制理論》教學(xué)大綱課程名稱：現(xiàn)代控制理論（ModernControlTheory）課程編碼：1501ZY012 課程類別：工程基礎(chǔ)-必修學(xué) 分：2.5分總學(xué)時：40學(xué)時，理論學(xué)時：40學(xué)時適用專業(yè)：自動化、自動化產(chǎn)業(yè)班先修課程：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、自動控制原理吳凌云朱清祥一、課程性質(zhì)《現(xiàn)代控制理論》是自動化專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)《自動控制原理》課程后的一門后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課，必修課。本課程是以狀態(tài)空間分析方法為主，研究系統(tǒng)狀態(tài)的運動規(guī)律，并按要求的各種指標(biāo)對系統(tǒng)進(jìn)行綜合與設(shè)計。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解現(xiàn)代控制理論的體系結(jié)構(gòu)，掌握利用狀態(tài)空間模型分析系統(tǒng)特性和系統(tǒng)綜合的方法，建立最優(yōu)控制問題的基本概念，為今后從事工程實踐和科研開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。二、課程目標(biāo)（一）育人目標(biāo)緊緊圍繞堅定學(xué)生理想信念，以愛黨、愛國、愛社會主義、愛人民、愛集體為主線，將育人要素嵌入到自動控制原理課堂教學(xué)中。通過積極培育和踐行社會主義核心價值觀，運用馬克思主義哲學(xué)的方法論，引導(dǎo)學(xué)生正確做人和做事；注重在課程教學(xué)中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來，提高學(xué)生正確認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的能力；注重強化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。讓學(xué)生成為德才兼?zhèn)?、又紅又專、全面發(fā)展的人才。（二）知識和能力目標(biāo)課程目標(biāo)1：了解現(xiàn)代控制理論的基本概念：理解狀態(tài)空間法、反饋控制、最優(yōu)控制等概念，了解控制一個動態(tài)系統(tǒng)的基本步驟。（支撐畢業(yè)要求1.3）課程目標(biāo)2：掌握系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立：理解控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型含義，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的類型及相互關(guān)系，并能夠建立常用線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式。（支撐畢業(yè)要求2.1）課程目標(biāo)3：熟練掌握控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法：掌握線性控制系統(tǒng)狀態(tài)方程的求解方法；熟練掌握控制系統(tǒng)的能控性和能觀測性判別方法；了解李亞普諾夫第一法，理解李亞普諾意義下的穩(wěn)定性的定義，掌握利用李亞普諾夫第二法判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；了解綜合問題的基本思路，熟悉在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的情況下，確定反饋形式的控制，使導(dǎo)出閉環(huán)系統(tǒng)的運動行為滿足預(yù)先規(guī)定的性能指標(biāo)的要求。（支撐畢業(yè)要求2.2）課程目標(biāo)4：能夠?qū)W會建立物理系統(tǒng)的理論模型，并根據(jù)現(xiàn)代控制理論和MATLAB仿真解決實際問題，進(jìn)行團隊合作，使用文獻(xiàn)檢索等現(xiàn)代化工具，擬定解決方案。（支撐畢業(yè)要求4.1）課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點對應(yīng)關(guān)系課程目標(biāo)畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)11.3掌握本專業(yè)所需的檢測與控制相關(guān)知識，能夠用于檢測、信號處理、運動以及過程控制的工程問題設(shè)計與研究。課程目標(biāo)22.1能夠運用控制理論、信號處理理論分析自動化系統(tǒng)中各單元模塊的組成、工作原理及參數(shù)，并對其進(jìn)行表達(dá)與建模。課程目標(biāo)32.2能認(rèn)識到解決自動化工程應(yīng)用問題有多種方案，能通過模型研究、文獻(xiàn)研究分析尋求最優(yōu)解決方案。課程目標(biāo)44.1能建立復(fù)雜自動化工程問題的理論模型，擬定解決方案，確定研究路線。三、基本要求本課程詳細(xì)介紹了建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法、運用狀態(tài)空間分析法定量和定性分析及綜合控制系統(tǒng)的基本理論、基本方法等。教學(xué)過程中要注意與先修課程基礎(chǔ)知識的聯(lián)系，掌握高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)的基本知識，具有良好的數(shù)學(xué)知識儲備。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)熟練掌握控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立和求解方法；理解控制系統(tǒng)能控性和能觀性的含義，熟練掌握秩判據(jù)和約旦規(guī)范型判據(jù)；了解李亞普諾夫第一法，理解李亞普諾意義下的穩(wěn)定性的定義，掌握利用李亞普諾夫第二法判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；了解綜合問題的基本思路，熟悉在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的情況下，確定反饋形式的控制，使導(dǎo)出閉環(huán)系統(tǒng)的運動行為滿足預(yù)先規(guī)定的性能指標(biāo)的要求。使學(xué)生能夠正確理解和運用課程的基本概念和理論，掌握一套較完整的分析，設(shè)計控制系統(tǒng)方法。通過課外研習(xí)，學(xué)生分組進(jìn)行本課程最新研究進(jìn)展調(diào)研，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)助、文獻(xiàn)檢索、語言表達(dá)陳述、溝通交流等能力。四、教學(xué)內(nèi)容章節(jié)章節(jié)學(xué)時目標(biāo)0緒論2通過對控制理論發(fā)展歷程中的重要事件和典型人物進(jìn)行分析解讀,引導(dǎo)學(xué)生向老一輩科學(xué)家學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生科技強國的使命感。課堂授課，課堂討論11控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式6在教會學(xué)生用數(shù)學(xué)模型描述控制系統(tǒng)的方法時，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)辯證唯物主義的世界觀和方法論，學(xué)會在工作中抓主要矛盾。課堂授課，課后練習(xí)2題22系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式的解6可通過求解系統(tǒng)零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)的思路，引導(dǎo)學(xué)生運用好內(nèi)因和外因的辯證關(guān)系。課堂授課，課后練習(xí)1題33線性控制系統(tǒng)的能控性和能觀性10通過講解能控性和能觀性的判別方法，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)定性和定量分析問題的特點，從而學(xué)會去偽存真、由表及里，認(rèn)識事物本質(zhì)，揭示內(nèi)在規(guī)律。課堂授課，課后練習(xí)3題34穩(wěn)定性與李亞普諾夫方法6穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的首要條件。以此教育學(xué)生遵紀(jì)守法，牢記使命擔(dān)當(dāng)，守護(hù)穩(wěn)定和諧的社會。課堂授課，課后練習(xí)2題35線性定常系統(tǒng)的綜合10通過講述控制系統(tǒng)設(shè)計的基本思想，培養(yǎng)學(xué)生堅持實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。課堂授課，課后練習(xí)1題4第0章緒論課程簡介什么是自動控制理論自動控制理論的兩個基本主題自動控制理論的發(fā)展本課程的基本內(nèi)容本章重點：理解反饋控制、最優(yōu)控制等概念；了解經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的特點。能力：能夠?qū)⒖刂葡到y(tǒng)的基本概念、性能要求用于分析多變量控制系統(tǒng)的復(fù)雜工程問題。第1章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式狀態(tài)空間變量及狀態(tài)空間表達(dá)式狀態(tài)空間表達(dá)式的建立狀態(tài)向量的線性變換從狀態(tài)空間表達(dá)式求傳遞函數(shù)組合系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式本章重點：根據(jù)系統(tǒng)的方框圖列寫狀態(tài)空間表達(dá)式；從系統(tǒng)的基本原理推導(dǎo)狀態(tài)空間表達(dá)式；根據(jù)傳遞函數(shù)或高階微分方程列寫狀態(tài)空間表達(dá)式。能力：能夠推導(dǎo)實際物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。第2章系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式的解線性定常齊次狀態(tài)方程的解狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣線性定常非齊次狀態(tài)方程的解線性時變系統(tǒng)狀態(tài)方程的解本章重點：掌握指數(shù)矩陣函數(shù)或狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的計算方法。能力：從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，用微分方程求解的理論，分析系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。第3章線性控制系統(tǒng)的能控性和能觀性線性定常系統(tǒng)的能控性線性定常系統(tǒng)的能觀性線性時變系統(tǒng)的能控性與能觀性能控性與能觀性的對偶關(guān)系狀態(tài)空間表達(dá)式的能控能觀標(biāo)準(zhǔn)型線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解本章重點：理解系統(tǒng)能控性與能觀測性的含義；掌握系統(tǒng)能控性與能觀測性的判據(jù)方法和結(jié)構(gòu)分解。能力：從系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)能控性與能觀測性，對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析。第4章穩(wěn)定性與李亞普諾夫方法李亞普諾夫關(guān)于穩(wěn)定性的定義李亞普諾夫第一法李亞普諾夫第二法李亞普諾夫方法在線性系統(tǒng)中的應(yīng)用李亞普諾夫方法在非線性系統(tǒng)中的應(yīng)用本章的重點：理解穩(wěn)定性的幾個定義和李亞普諾夫函數(shù)的符號性質(zhì)；掌握李亞普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)和李亞普諾夫方程的應(yīng)用。能力：從系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型出發(fā)，根據(jù)線性代數(shù)理論，應(yīng)用李亞普諾夫方程和希爾維斯特判據(jù)，判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第5章線性定常系統(tǒng)的綜合線性反饋控制系統(tǒng)綜合的基本概念極點配置問題系統(tǒng)鎮(zhèn)定問題系統(tǒng)解耦問題狀態(tài)觀測器利用狀態(tài)觀測器實現(xiàn)狀態(tài)反饋的系統(tǒng)本章重點：了解系統(tǒng)性能指標(biāo)的類型和進(jìn)行綜合問題的基本思路；熟練掌握狀態(tài)反饋系統(tǒng)的極點配置、輸出反饋系統(tǒng)的極點配置；掌握狀態(tài)觀測器的設(shè)計。能力：根據(jù)控制系統(tǒng)綜合的概念和方法，通過設(shè)計控制器，尋求改善系統(tǒng)性能的各種控制規(guī)律，使系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)得到滿足和優(yōu)化。五、教學(xué)方法本課程理論性強、內(nèi)容抽象，講述過程中應(yīng)注意舉例說明。為了提高教學(xué)質(zhì)量，增強學(xué)生分析問題和解決問題的能力，本課程的教學(xué)采用課堂教學(xué)、課后作業(yè)、上機實踐等相結(jié)合的教學(xué)方式方法，使學(xué)生能夠掌握知識點。主要教學(xué)環(huán)節(jié)包括課堂講授和習(xí)題練習(xí)。課堂教學(xué)與互動討論課堂教學(xué)以“互動式”方法為主導(dǎo)，在這一教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生以聽課為主，并參與討論，采用多媒體和板書相結(jié)合的教學(xué)手段，并輔以MATLAB程序?qū)嵗菔窘虒W(xué)，以加深學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。課后作業(yè)和自學(xué)課后，教師應(yīng)有針對性的布置作業(yè)。學(xué)生通過完成作業(yè)加深對控制原理和方法的理解，增強運用基本理論分析實際系統(tǒng)的能力。通過習(xí)題課講解作業(yè)的思路和課程的重點難點。關(guān)于用Matlab進(jìn)行控制系統(tǒng)輔助分析設(shè)計的方法，可安排學(xué)生課后自學(xué)和上機實踐。給學(xué)生推薦網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源:國家級精品課程、國內(nèi)/國際名校視頻公開課、編程論壇，讓學(xué)生開闊眼界，共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識和能力。六、考核與評價方式及標(biāo)準(zhǔn)考核標(biāo)準(zhǔn)與成績評定課程考核包括平時成績、期末考試兩個部分。平時成績（百分制），包括作業(yè)、課堂互動及考勤等。平時成績評價標(biāo)準(zhǔn)基本要求評價標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）理解狀態(tài)空間法、反饋控制、最優(yōu)控制等基本概念，熟練掌握線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型建立和求解的方法；熟練掌握能控性與能觀性秩判據(jù)和約旦規(guī)范型判據(jù)的方法。掌握利用李亞普諾夫第一法和第二法判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；熟悉綜合問題的基本思路，掌握分析和設(shè)計控制系統(tǒng)方法。能夠熟練掌握線性系統(tǒng)建模和求解的方法；現(xiàn)代控制理論的基本知識點非常清晰。能正確利用李亞普諾夫第一法和第二法判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；熟練掌握分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的方法。能夠較為熟練地掌握線性系統(tǒng)建模和求解的方法；現(xiàn)代控制理論的基本知識點清晰。能夠利用李亞普諾夫第一法和第二法判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；掌握分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的方法?；菊莆站€性系統(tǒng)建模和求解的方法；現(xiàn)代控制理論的基本知識點較清晰。能夠利用李亞普諾夫第一法和第二法判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；基本掌握分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的方法。沒有掌握線性系統(tǒng)建模和求解的方法；對現(xiàn)代控制理論的基本知識點不夠理解。不能利用李亞普諾夫第一法和第二法判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；沒有掌握分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的方法。期末考試（百分制）開卷，題型包括：選擇題、分析計算題。課程期末考試考核內(nèi)容與要求基本要求評價標(biāo)準(zhǔn)比例（%）優(yōu)秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）目標(biāo)1了解現(xiàn)代控制理論的基本概念：理解狀態(tài)空間法、反饋控制、最優(yōu)控制等概念。能夠熟練掌握現(xiàn)代控制理論的基本概念。能夠較為熟練掌握現(xiàn)代控制理論的基本概念?；菊莆宅F(xiàn)代控制理論的基本概念。沒有掌握現(xiàn)代控制理論的基本概念。10目標(biāo)2掌握系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立和求解方法：理解控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型含義，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的類型及相互關(guān)系，并能夠建立常用線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式。能夠熟練掌握控制系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的建立和求解方法。能夠較為熟練掌握控制系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的建立和求解方法?；菊莆湛刂葡到y(tǒng)狀態(tài)空間模型的建立和求解方法。沒有掌握控制系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的建立和求解方法。15目標(biāo)3熟練掌握控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法：掌握狀態(tài)空間模型的求解方法；熟練掌握控制系統(tǒng)的能控性和能觀測性判別方法；掌握利用李亞普諾夫方法法判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；掌握控制系統(tǒng)綜合的方法，使系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足要求。狀態(tài)空間模型的求解方法、控制系統(tǒng)能控性和能觀測性判別方法、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)綜合的方法等基本知識點清晰。狀態(tài)空間模型的求解方法、控制系統(tǒng)能控性和能觀測性判別方法、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)綜合的方法等基本知識點較清晰。對狀態(tài)空間模型的求解方法、控制系統(tǒng)能控性和能觀測性判別方法、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)綜合的方法等基本知識掌握一般。對狀態(tài)空間模型的求解方法、控制系統(tǒng)能控性和能觀測性判別方法、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)綜合的方法等基本知識不清楚。60目標(biāo)4能夠建立物理系統(tǒng)的理論模型，并根據(jù)現(xiàn)代控制理論和MATLAB仿真解決實際問題，進(jìn)行團隊合作，使用文獻(xiàn)檢索等現(xiàn)代化工具，擬定解決方案。能進(jìn)行團隊合作，具有使用文獻(xiàn)檢索等現(xiàn)代化工具擬定解決方案的能力強。能熟練運用現(xiàn)代控制理論原理解決工程實際問題。能進(jìn)行團隊合作，具有使用文獻(xiàn)檢索等現(xiàn)代化工具擬定解決方案的能力強。能較為熟練運用現(xiàn)代控制理論原理解決工程實際問題。具備一定的團隊合作精神，具有使用文獻(xiàn)檢索等現(xiàn)代化工具擬定解決方案的能力。能運用現(xiàn)代控制理論原理解決工程實際問題。不具備團隊合作精神和使用文獻(xiàn)檢索等現(xiàn)代化工具擬定解決方案的能力。運用現(xiàn)代控制理論原理解決工程實際問題的能力差。15注：該表格中的比例為期末考試試卷成績比例。成績評定為：考試成績*70%+平均平時成績*30%。課程目標(biāo)達(dá)成評價《現(xiàn)代控制理論》課程目標(biāo)達(dá)成評價分析報告一、課程基本信息課程名稱現(xiàn)代控制理論課程性質(zhì)工程基礎(chǔ)，必修學(xué)時學(xué)分40/2.5開課學(xué)期第六個學(xué)期專業(yè)班級自動化及自動化產(chǎn)業(yè)班考核方式考試，開卷任課教師：評價人員：課程組長，命題教師，閱卷教師二、課程目標(biāo)達(dá)成評估課程目標(biāo)支撐指標(biāo)點課程目標(biāo)評價數(shù)據(jù)源評價依據(jù)分值平均分達(dá)成值KMi評價方式畢業(yè)要求1.3：掌握本專業(yè)所需的檢測與控制相關(guān)知識，能夠用于檢測、信號處理、運動以及過程控制的工程問題設(shè)計與研究。目標(biāo)1：了解現(xiàn)代控制理論的基本概念。期末考試：控制的基本概念（10分）T10=10試題構(gòu)成說明：T1=T10.7A10.3T10 A10平時作業(yè)A10=100A1=畢業(yè)要求2.1能夠運用控制期末考試：建立理論、信號處理理論分析自線性系統(tǒng)的狀