《機(jī)器人控制理論》教學(xué)大綱

《機(jī)器人控制理論》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：22150501課程性質(zhì)：專業(yè)選修課學(xué)分：2學(xué)分學(xué)時：32學(xué)時（理論32學(xué)時）先修課程：高等數(shù)學(xué)C、線性代數(shù)、自動控制原理A后續(xù)課程：畢業(yè)設(shè)計適用專業(yè)：機(jī)器人工程專業(yè)開課單位：智能工程學(xué)院一、課程說明《機(jī)器人控制理論》是機(jī)器人工程專業(yè)的一門專業(yè)選修課。課程以線性系統(tǒng)理論的分析綜合為主，主要內(nèi)容包括系統(tǒng)狀態(tài)空間描述、線性系統(tǒng)能控能觀性、穩(wěn)定性分析、線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制等。通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生學(xué)生掌握現(xiàn)代控制理論的基本知識，能夠正確建立各類典型系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，并且能夠通過狀態(tài)反饋、極點(diǎn)配置和狀態(tài)觀測器構(gòu)造等方法，進(jìn)行系統(tǒng)的綜合設(shè)計。在思政育人方面，結(jié)合控制專家學(xué)者探索科學(xué)的事跡、追求真理的歷程教育引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)思維、創(chuàng)新意識與學(xué)術(shù)素養(yǎng)；以控制理論在工程領(lǐng)域的巨大成就，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感，提升學(xué)生的愛國情懷與為國奮斗的精神。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：熟練掌握系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的描述方法，能夠建立各類典型系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，求解系統(tǒng)的能控標(biāo)準(zhǔn)性、能觀標(biāo)準(zhǔn)型、對角標(biāo)準(zhǔn)型、約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型。課程目標(biāo)2：能夠建立典型系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，利用現(xiàn)代控制理論原理方法分析求解系統(tǒng)的動態(tài)性能。課程目標(biāo)3：熟悉控制理論發(fā)展與內(nèi)容體系，能夠利用現(xiàn)代控制理論方法原理研究分析復(fù)雜工程與系統(tǒng)的控制問題，提出控制器設(shè)計方案。課程目標(biāo)4：能夠使用MATLAB等仿真軟件分析系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的能控性、能觀性、穩(wěn)定性，求解系統(tǒng)狀態(tài)軌跡、進(jìn)行系統(tǒng)極點(diǎn)配置與狀態(tài)反饋控制器設(shè)計。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《機(jī)器人控制理論》課程教學(xué)目標(biāo)對機(jī)器人工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)支撐強(qiáng)度1.工程知識：能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決自動控制領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。1.2：能夠針對涉及的自動控制領(lǐng)域的具體對象建立數(shù)學(xué)模型并求解；課程目標(biāo)1：熟練掌握線性代數(shù)的知識，用于系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的描述與系統(tǒng)能控標(biāo)準(zhǔn)性、能觀標(biāo)準(zhǔn)型、對角標(biāo)準(zhǔn)型、約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型的轉(zhuǎn)換求解。M問題分析：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識別、表達(dá)、并通過文獻(xiàn)研究分析自動控制領(lǐng)域中復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論。2.2：能夠運(yùn)用所掌握的科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型的方法，表達(dá)出復(fù)雜工程問題中各環(huán)節(jié)和參數(shù)之間內(nèi)在聯(lián)系或關(guān)系。課程目標(biāo)2：能夠建立典型系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，利用現(xiàn)代控制理論原理方法分析求解系統(tǒng)的動態(tài)性能。M4.研究：能基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對自動控制領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。4.1：能夠根據(jù)所掌握的科學(xué)原理，借助文獻(xiàn)研究，調(diào)研和分析自動控制領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案。課程目標(biāo)3：熟悉控制理論與理論體系，能夠利用現(xiàn)代控制理論方法原理研究分析復(fù)雜工程與系統(tǒng)的控制問題，提出控制器設(shè)計方案。課程目標(biāo)4：能夠使用MATLAB等仿真軟件分析系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的能控性、能觀性、穩(wěn)定性，求解系統(tǒng)狀態(tài)軌跡、進(jìn)行系統(tǒng)極點(diǎn)配置與狀態(tài)反饋控制器設(shè)計。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)理論學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.現(xiàn)代控制理論概述1.1控制理論的發(fā)展1.2現(xiàn)代控制理論與自動控制比較1.3現(xiàn)代控制理論課程內(nèi)容教學(xué)要求：熟悉控制理論的發(fā)展史；理解現(xiàn)代控制與經(jīng)典控制的異同；熟悉現(xiàn)代控制內(nèi)容體系。重點(diǎn)：現(xiàn)代控制與經(jīng)典控制的比較。難點(diǎn)：現(xiàn)代控制與經(jīng)典控制區(qū)別。23系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述狀態(tài)空間的概念狀態(tài)空間表達(dá)式與傳遞函數(shù)矩陣線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型變換離散系統(tǒng)狀態(tài)空間模型非線性系統(tǒng)局部線性化教學(xué)要求：掌握狀態(tài)空間表達(dá)式的基本概念、描述方法；掌握傳遞函數(shù)到狀態(tài)模型的三種實現(xiàn)：能控標(biāo)準(zhǔn)型、能觀標(biāo)準(zhǔn)型、約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型；了解離散系統(tǒng)及非線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)。重點(diǎn):狀態(tài)空間方程建立、傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間方程的互化、對角標(biāo)準(zhǔn)型求解。難點(diǎn):系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與狀態(tài)空間方程互相轉(zhuǎn)化、系統(tǒng)約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型轉(zhuǎn)化。81、43.線性系統(tǒng)狀態(tài)空間方程求解3.1線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程的解3.2線性時變系統(tǒng)狀態(tài)方程的解3.3離散時間系統(tǒng)狀態(tài)方程的解3.4連續(xù)狀態(tài)狀態(tài)空間方程的離散化教學(xué)要求：掌握狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的概念、轉(zhuǎn)移矩陣的運(yùn)算性質(zhì)和計算方法；重點(diǎn)掌握線性定常系統(tǒng)齊次狀態(tài)方程和非齊次狀態(tài)方程的解。重點(diǎn):線性定常系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的運(yùn)算性質(zhì)及計算方法；線性定常系統(tǒng)齊次解與非齊次解。難點(diǎn):線性定常系統(tǒng)非齊次狀態(tài)方程的解。41、24.線性系統(tǒng)的能控性和能觀性4.1線性連續(xù)系統(tǒng)的能控性、能觀性4.2線性離散系統(tǒng)的能控性和能觀性4.3線性系統(tǒng)能控、能觀標(biāo)準(zhǔn)型4.4對偶系統(tǒng)；4.5線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分解4.6傳遞函數(shù)矩陣的實現(xiàn)問題。教學(xué)要求：熟悉能控性、能觀性的定義；掌握線性系統(tǒng)能控性和能觀性判據(jù)；了解能控性與能觀性的對偶關(guān)系；熟悉線性定常系統(tǒng)的幾種標(biāo)準(zhǔn)型：能控標(biāo)準(zhǔn)型、能觀標(biāo)準(zhǔn)型和約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型；了解線性定常系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解；理解傳遞函數(shù)矩陣的最小實現(xiàn)及零極點(diǎn)對消與能控、能觀性的影響。重點(diǎn)：線性系統(tǒng)能控性和能觀性判據(jù)；能控標(biāo)準(zhǔn)型、能觀標(biāo)準(zhǔn)型的建立；傳遞函數(shù)零極點(diǎn)對消與能控、能觀性的關(guān)系。難點(diǎn)：線性定常系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解、傳遞函數(shù)矩陣最小實現(xiàn)81、45.李雅普諾夫穩(wěn)定性5.1穩(wěn)定性概念與李雅普諾夫穩(wěn)定性含義5.2李雅普諾夫間接法5.3李雅普諾夫間接法5.4李雅普諾夫穩(wěn)定性方法應(yīng)用教學(xué)要求：熟悉控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念與李雅普諾夫穩(wěn)定性含義；理解掌握李雅普諾夫間接法與直接法；能夠利用李雅普諾夫直接法分析線性系統(tǒng)穩(wěn)定性。重點(diǎn):李雅普諾夫穩(wěn)定性概念、定理（穩(wěn)定性判據(jù)）及應(yīng)用。難點(diǎn):李雅普諾夫函數(shù)的構(gòu)造；李雅普諾夫直接法在線性定常系統(tǒng)中的靈活應(yīng)用。42、36.線性系統(tǒng)分析綜合6.1系統(tǒng)反饋控制器的結(jié)構(gòu)6.2極點(diǎn)配置6.3系統(tǒng)鎮(zhèn)定6.4系統(tǒng)解耦問題6.5線性系統(tǒng)狀態(tài)觀測器的設(shè)計6.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)教學(xué)要求：熟悉反饋控制器結(jié)構(gòu)與性質(zhì)；掌握狀態(tài)反饋控制器極點(diǎn)配置方法；了解理解鎮(zhèn)定性與解耦問題；掌握狀態(tài)觀測器概念、條件與全維狀態(tài)觀測器的實現(xiàn)；了解帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)設(shè)計。重點(diǎn):實現(xiàn)任意極點(diǎn)配置與系統(tǒng)鎮(zhèn)定的狀態(tài)反饋設(shè)計；全維狀態(tài)觀測器的設(shè)計。難點(diǎn):降維觀測器的設(shè)計；帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)設(shè)計。63合計32五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，利用網(wǎng)絡(luò)課程、教學(xué)視頻、習(xí)題案例與仿真程序等資源，進(jìn)行啟發(fā)式、討論式教學(xué)和案例教學(xué)，促使學(xué)生學(xué)生全面了解現(xiàn)代控制理論課程體系與原理方法。在此基礎(chǔ)上，精選習(xí)題、作業(yè)、仿真等強(qiáng)化學(xué)生對知識的理解與掌握。六、課程資源1.推薦教材：（1）閆茂德主編，《現(xiàn)代控制理論》[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2016年．2.參考書：（1）劉豹主編，《現(xiàn)代控制理論》（第3版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2019年（2）張嗣瀛，高立群編著，現(xiàn)代控制理論(第二版)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2017．（3）王宏華編著，現(xiàn)代控制理論[M].北京:電子工業(yè)出版社，2013．3.期刊：（1）基于重置狀態(tài)觀測器的加熱爐隨機(jī)擾動自抗擾控制方法[J].控制與決策,2017,32(09):1659-1663.（2）輸入增益未知非參數(shù)不確定系統(tǒng)的準(zhǔn)最優(yōu)學(xué)習(xí)控制[J].自動化學(xué)報:1-10.（3）基于虛擬模型的自適應(yīng)解耦抗擾控制[J].控制理論與應(yīng)用,2019,36(02):319-326.（4）ControllabilityofTwo-Time-ScaleDiscrete-TimeMultiagentSystems[J].IEEEtransactionsoncybernetics,2018.（5）Stabilityofneutraltypedelaysystems:AjointLyapunov-KrasovskiiandRazumikhinapproach[J].Automatica,2019,106.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）精品資源共享課程（西北工業(yè)大學(xué)）:/video/av41770763?（2）現(xiàn)代控制理論資源共享課程（長安大學(xué)）：/七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細(xì)則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表3。表3課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細(xì)則課程目標(biāo)1234過程性考核課堂表現(xiàn)10（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?240作業(yè)12（1）主要考核狀態(tài)空間空間模型數(shù)學(xué)變換與求解，能控性、能觀性、穩(wěn)定性分析能力，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨(dú)評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?44期中測試8（1）主要考核狀態(tài)空間模型建立、變換、求解與系統(tǒng)能控性、能觀性分析方面掌握情況，滿分100分。（2）成績以其中測試卷面實際分?jǐn)?shù)為準(zhǔn)?！獭?400仿真10（1）主要考核運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行系統(tǒng)模型變換、分析的能力。（2）每次仿真單獨(dú)評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以仿真成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√00010期末考核60（1）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核學(xué)生狀態(tài)空間模型描述、變換、求解，以及穩(wěn)定性與反饋控制方法理解掌握情況。（3）考試題型為：填空題、選擇題、判斷題、分析題、計算題、設(shè)計題等。√√√202020合計：100分32302810八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、習(xí)題作業(yè)、期中測試、MATLAB仿真、期末考試等方式對學(xué)生進(jìn)行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┰嚲沓煽兒瓦^程性考核成績組成。其中：期末試卷成績?yōu)?00分（權(quán)重60%），試題類型為填空題、選擇題、判斷題、簡答題、分析題、計算題和設(shè)計等類型，試卷中基本知識、基本理論、基本技能的試題分值不超過50%，綜合應(yīng)用題、分析題不低于50%；過程性考核成績?yōu)?00分（權(quán)重40%），由課堂表現(xiàn)、線上學(xué)習(xí)、習(xí)題作業(yè)、MATLAB仿真等組成；過程性考核和考試試題分值分配應(yīng)與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時基本成比例。2.過程性考核成績的標(biāo)準(zhǔn)過程性考核方式重點(diǎn)考核內(nèi)容、評價標(biāo)準(zhǔn)、所占比重見表4。表4過程性考核方式評價標(biāo)準(zhǔn)考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)25按時出勤，認(rèn)真聽講；積極參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準(zhǔn)確率大于90%。按時出勤，認(rèn)真聽講；經(jīng)常參與教學(xué)活動，回答問題準(zhǔn)確率大于80%。按時出勤，偶爾參與教學(xué)活動，回答問題準(zhǔn)確率大于70%。偶爾上課遲到，聽講不認(rèn)真，回答問題準(zhǔn)確性一般。上課不認(rèn)真聽課，提問不回答，活動不參與。習(xí)題作業(yè)30作業(yè)干凈整潔，程序設(shè)計合理與仿真效果可靠性大于90%。作業(yè)干凈整潔，程