《现代控制理论》课程教学大纲

课程名称：现代控制理论 课程类别：任意选修课

适用专业：电子信息工程 考核方式：考查

总学时、学分： 24 学时 1.5 学分

一、 课程性质、教学目标

《现代控制理论》是在“古典控制理论”的基础上，基于“线性代数”理论发展起来的一种自动控制系统性能分析与设计的新方法。它由“古典控制理论”中的对单输入单输出系统的描述过渡到对多输入多输出系统的描述、由“古典控制理论”中对系统的外部性能分析过渡到内部性能分析、由“古典控制理论”中便于手工求解的数学模型过渡到便于计算机求解的数学模型。

为学生后续深造的课程《线性系统理论及应用》、《智能控制系统及应用》的学习打下必要的理论知识和实践基础。其具体的课程教学目标为：

课程教学目标 1 ： 掌握控制系统数学模型含义，系统数学模型的类型及相互关系，并能够建立常用线性系统的数学模型。

课程教学目标 2 ： 掌握线性控制系统状态方程的求解方法。

课程教学目标 3 ： 掌握控制系统的能控性和能观测性判据，并利用判据判断系统的能控性和能观测性。

课程教学目标 4 ： 熟悉利用李亚甫诺意义下的稳定性的定义判断控制系统的稳定性。

课程教学目标 5 ： 熟悉在已知系统的结构和参数的情况下，通过综合可实现的控制器的结构和参数，使系统满足预先规定的性能指标的要求。

课程教学目标与毕业要求对应的矩阵关系

教学目标 1

教学目标 2

教学目标 3

教学目标 4

教学目标 5

二、 课程教学要求

通过本课程的学习 , 使学生掌握有关运用状态空间分析法定量和定性分析及综合控制系统的基本理论、基本方法 , 为学习后续课程打下基础。

三、 先修课程

高等数学、大学物理、电路分析、模拟电路、数字电路、高频电路、信号与系统、线性代数、自动控制原理。

四、 课程教学重、难点

教学重点：控制系统数学模型的建立，线性控制系统的运动能控性与能观测性和稳定性分析，线性定常系统的综合；

教学难点：线性定常系统的综合。

五、 课程教学方法与教学手段

教学方法：讲授式教学方法、讨论式教学方法、导学式教学方法；

教学手段：多媒体辅助教学。

六、 课程教学内容

绪论 （ 1 学时）

1 ．教学内容

(1) 自动控制与控制理论；

(2) 控制理论发展简况；

(3) 现代控制理论的基本内容；

(4) 本课程的基本任务。

2 ．重、难点提示

(1) 重点是控制理论的基本内容、本课程的基本任务；

(2) 难点是控制理论的基本内容。

第一章 控制系统的数学模型（ 5 学时）

1 ．教学内容

(1) 状态空间表达式；

(2) 由微分方程求状态空间表达式；

(3) 传递函数矩阵；

(4) 离散系统的数学描述；

(5) 线性变换；

(6) 组合系统的数学描述；

(7) 利用 MATLAB 进行模型的转换。

2 ．重、难点提示

(1) 重点是由微分方程求状态空间表达式、传递函数矩阵、利用 MATLAB 进行模型的转换；

(2) 难点是状态空间表达式的建立。

第二章 线性控制系统的运动分析（ 4 学时）

1 ．教学内容

(1) 线性定常系统齐次状态方程的解；

(2) 状态转移矩阵；

(3) 线性定常系统非齐次状态方程的解；

(4) 线性时变系统的运动分析；

(5) 线性系统的脉冲响应矩阵；

(6) 线性连续系统方程的离散化；

(7) 线性离散系统的运动分析；

(8) 用 MATLAB 求解系统方程。

2 ．重、难点提示

(1) 重点是求线性定常系统齐次状态方程的解、线性定常系统非齐次状态方程的解；

(2) 难点是求线性定常系统非齐次状态方程的解。

第三章 控制系统的能控性和能观测性（ 4 学时）

1 ．教学内容

(1) 引言；

(2) 能控性及其判据；

(3) 能观测性及其判据；

(4) 离散系统的能控性和能观测性；

(5) 对偶原理；

(6) 能控标准型和能观测标准型；

(7) 能控性、能观测性与传递函数的关系；

(8) 系统的结构分解；

(9) 实现问题；

(10)MATLAB 的应用。

2 ．重、难点提示

(1) 重点是系统能控性与能观测性的含义及其判据、系统的结构分解；

(2) 难点是系统的结构分解。

第四章 控制系统的稳定性（ 4 学时）

1 ．教学内容

(1) 引言；

(2) 李亚普诺夫意义下的稳定的定义；

(3) 李雅普诺夫第二方法；

(4) 线性连续系统的稳定性；

(5) 线性定常离散系统的稳定性；

(6) 有界输入 - 有界输出稳定；

(7) 非线性系统的稳定性。

2 ．重、难点提示

(1) 重点是李雅普诺夫意义下的稳定、系统稳定性的确定 ；

(2) 难点是李雅普诺夫稳定性的基本定理 。

第五章 线性定常系统的综合（ 4 学时）

1 ．教学内容

(1) 引言；

(2) 状态反馈和输出反馈；

(3) 状态反馈系统的极点配置；

(4) 输出反馈系统的极点配置；

(5) 状态反馈镇定问题；

(6) 状态重构和状态观测器；

(7) 降阶观测器；

(8) 带状态观测器的状态反馈系统；

(9) 渐进跟踪与干扰抑制问题；

(10) 解藕问题；

(11)MATLAB 的应用。

2 ．重、难点提示

(1) 重点是状态反馈系统的极点配置、输出反馈系统的极点配置、状态重构和状态观测器；

(2) 难点是状态重构和状态观测器、降阶观测器、带状态观测器的状态反馈系统、渐进跟踪与干扰抑制问题。

第六章 最优控制（ 2 学时）

1 ．教学内容

(1) 引言；

(2) 用变分法求解最优控制问题；

(3) 极小值原理及其在快速控制中的应用；

(4) 用状态规划法求解最优控制问题；

(5) 线性状态调节器；

(6) 线性伺服机问题。

2 ．重、难点提示

(1) 重点是用变分法求解最优控制问题、极小值原理及其在快速控制中的应用、用状态规划法求解最优控制问题 ；

(2) 难点是用变分法求解最优控制问题、极小值原理及其在快速控制中的应用、用状态规划法求解最优控制问题。

七、学时分配

理论教学学时

实验教学学时

控制系统的数学模型

线性控制系统的运动分析

控制系统的能控性和能观测性

控制系统的稳定性

线性定常系统的综合

八、 课程考核方式

1. 考核方式：

笔试；开卷

2. 成绩构成：

期末成绩 + 平时成绩

九、 选用教材和参考书目

［ 1 ］《现代控制理论基础》（第三版），王孝武编，机械工业出版社， 2017 年 ;

［ 2 ］《现代控制理论》（第一版），谢克明编，清华大学出版社， 2007 年；

［ 3 ］《现代控制理论基础》（第一版），郭亮、王俐编，北京航空航天大学出版社， 2013 年；

［ 4 ］《现代控制理论》（第三版），刘豹，唐万生编，机械工业出版社， 2011 年；

［ 5 ］《现代控制理论》（第三版），于长官编，哈尔滨工业大学出版社， 2005 年；

［ 6 ］《自动控制原理》（第四版），胡寿松编，科学社出版社， 2002 年。

［ 7 ］ Modern Control Theory Lecture 》，王杰编， 中国水利水电出版社， 2011 年。