現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)大綱

1、現(xiàn)代控制理論課程授課大綱課程名稱：現(xiàn)代控制理論英文名稱：ModernControlTheory課程性質(zhì)：專業(yè)選修課程開課學(xué)期：第6學(xué)期課程代碼：ELEA3024學(xué)分/學(xué)時：2學(xué)分/36學(xué)時適用專業(yè)：電氣工程及其自動化先修課程：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、自動控制原理、一般物理、電路原理后續(xù)課程：無開課單位：機電工程學(xué)院大綱執(zhí)筆人：高瑜課程負(fù)責(zé)人：楊歆豪大綱審察人：余雷一、課程性質(zhì)和授課目的（在人才培養(yǎng)中的地位與性質(zhì)及主要內(nèi)容，指明學(xué)生需掌握知識與能力及應(yīng)達到的水平）課程性質(zhì)：現(xiàn)代控制理論是電氣工程及自動化專業(yè)的一門專業(yè)選修課程。差異于經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)，

2、主要研究系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)量的運動規(guī)律，并提出了能控性、能察看性、李雅普諾夫牢固性理論、極點配置、狀態(tài)察看器設(shè)計、最優(yōu)控制等線性系統(tǒng)解析方法。重在培養(yǎng)學(xué)生扎實的理論基礎(chǔ)及控制系統(tǒng)的設(shè)計能力。授課目的：經(jīng)過本課程的授課，使學(xué)生掌握現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及從事復(fù)雜的過程控制工作打下基礎(chǔ)。本課程的詳盡授課目的以下：掌握如何依照系統(tǒng)物理體系建立狀態(tài)空間表達式的詳盡方法，培養(yǎng)學(xué)生對電路、機械等實質(zhì)控制系統(tǒng)的建模能力；掌握如何運用狀態(tài)空間方法對實質(zhì)系統(tǒng)的進行解析，培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)代控制方法的設(shè)計能力。授課目的與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系：畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)對應(yīng)關(guān)系說明畢業(yè)要求4-1可以基于電氣工程及

3、其建立實質(zhì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是4：授課目的1設(shè)計相關(guān)實驗、解析系統(tǒng)性能研究自動化專業(yè)知識，進行相關(guān)實驗方案的設(shè)計的基礎(chǔ)。12-2能針對個人或職業(yè)的具備控制方法的初步設(shè)計能畢業(yè)要求12：發(fā)展需求，采用合適的方法力，為學(xué)生在今后連續(xù)學(xué)習(xí)及平生學(xué)習(xí)連續(xù)學(xué)習(xí)和提升，建立學(xué)習(xí)授課目的2工作過程中解決實質(zhì)控制問題知識和拓展能力的路子確定了必然的理論基礎(chǔ)。二、課程授課內(nèi)容及學(xué)時分配（含課程授課、自學(xué)、作業(yè)、談?wù)摰葍?nèi)容和要求，指明重點內(nèi)容和難點內(nèi)容）（重點內(nèi)容：；難點內(nèi)容：?）1、緒論（2學(xué)時）（支撐授課目的1）1.1控制理論的性質(zhì)1.2控制理論的發(fā)展1.3控制理論的應(yīng)用1.4控制一個動向系統(tǒng)的幾個基本步驟。目

4、標(biāo)及要求：明確本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)以及學(xué)習(xí)本課程的意義。認(rèn)識控制理論的發(fā)展大要，以及現(xiàn)代控制理論的主要特色，內(nèi)容和研究方法。談?wù)搩?nèi)容：現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制的特色比較。作業(yè)內(nèi)容：復(fù)習(xí)與回顧線性代數(shù)中矩陣的基本運算方法。2、控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式（8學(xué)時）（支撐授課目的1）2.1狀態(tài)變量及狀態(tài)空間表達式2.2狀態(tài)空間表達式的模擬結(jié)構(gòu)圖2.3狀態(tài)空間表達式的建立2.4狀態(tài)矢量的線性變換?2.5從狀態(tài)空間表達式求傳達函數(shù)矩陣目標(biāo)及要求：認(rèn)識狀態(tài)空間法的基本看法。掌握依照系統(tǒng)物理機理來建立狀態(tài)空間表達式的詳盡方法。掌握系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)圖的繪制方法。掌握如何利用線性變換改變狀態(tài)空間表達式的結(jié)構(gòu)形式。掌

5、握狀態(tài)空間表達式與傳達函數(shù)矩陣間互相變換的計算方法。談?wù)搩?nèi)容：同一系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式的非唯一性。作業(yè)內(nèi)容：給定電路及機械運動系統(tǒng)求狀態(tài)空間表達式。給定系統(tǒng)傳達函數(shù)求四種狀態(tài)空間表達式的標(biāo)準(zhǔn)形式。給定系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式求傳達函數(shù)。自學(xué)拓展：利用狀態(tài)空間法對生活中的某一控制系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)模型的建立。3、控制系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式的解（6學(xué)時）（支撐授課目的1）3.1線性定常齊次狀態(tài)方程的解3.2狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣3.3線性定常系統(tǒng)非齊次方程的解3.4連續(xù)時間狀態(tài)空間表達式的失散化?目標(biāo)及要求：認(rèn)識狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的基本看法。掌握狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的幾種不同樣求法。掌握線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程的求解方法。掌握連續(xù)系統(tǒng)的失散化

6、方法。談?wù)搩?nèi)容：求解狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣幾種方法間的比較。作業(yè)內(nèi)容：利用拉普拉斯變換及凱萊-哈密爾頓定理兩種方法分別求解系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。求系統(tǒng)在單位階躍信號作用下的狀態(tài)方程的解。已知連續(xù)時間狀態(tài)空間表達式，求失散時間狀態(tài)空間表達式。自學(xué)拓展：近似失散化方法的實質(zhì)應(yīng)用。4、線性系統(tǒng)的能控性與能察看性（6學(xué)時）（支撐授課目的2）4.1能控性與能觀性的定義4.2線性定常系統(tǒng)的能控性與能觀性鑒識4.3狀態(tài)空間表達式的能控標(biāo)準(zhǔn)型與能觀標(biāo)準(zhǔn)型4.4線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解?目標(biāo)及要求：掌握線性系統(tǒng)能控性與能觀性的定義及鑒識方法。掌握線性系統(tǒng)能控標(biāo)準(zhǔn)型與能觀標(biāo)準(zhǔn)型的建立方法。掌握線性系統(tǒng)按能控性與能觀性進行結(jié)構(gòu)分解的方

7、法。談?wù)搩?nèi)容：狀態(tài)空間表達式的最小實現(xiàn)問題。作業(yè)內(nèi)容：已知狀態(tài)空間表達式，求系統(tǒng)的能控性（鑒識）矩陣與能觀性（鑒識）矩陣，并判斷能控性與能觀性。運用線性變換求解系統(tǒng)的能控標(biāo)準(zhǔn)型與能觀標(biāo)準(zhǔn)型。運用線性變換對系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分解。自學(xué)拓展：傳達函數(shù)中零極點抵消與狀態(tài)能控性和能觀性之間的關(guān)系。5、牢固性與李雅普諾夫方法（6學(xué)時）（支撐授課目的2）5.1李雅普諾夫牢固性定義5.2李雅普諾夫第一法與第二法5.3李雅普諾夫方法在線性系統(tǒng)中的應(yīng)用?目標(biāo)及要求：正確理解牢固性基本看法和李雅普諾夫意義牢固性看法。掌握線性系統(tǒng)漸近牢固性解析方法。談?wù)搩?nèi)容：如何搜尋滿足判據(jù)條件的李雅普諾夫函數(shù)。作業(yè)內(nèi)容：李雅普諾夫第一

8、法判斷系統(tǒng)牢固性。李雅普諾夫第二法解析系統(tǒng)平衡狀態(tài)的牢固性。自學(xué)拓展：失散時間系統(tǒng)的牢固性判據(jù)。6、線性定常系統(tǒng)的綜合（4學(xué)時）（支撐授課目的2）6.1反響控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6.2極點配置問題?6.3狀態(tài)察看器目標(biāo)及要求：理解狀態(tài)反響的基本看法。掌握經(jīng)過狀態(tài)反響的手段進行極點配置的方法。認(rèn)識狀態(tài)察看器定義及實現(xiàn)方法。作業(yè)內(nèi)容：求解狀態(tài)反響閉環(huán)系統(tǒng)的表達式及對應(yīng)的模擬結(jié)構(gòu)圖。依照指定閉環(huán)系統(tǒng)極點設(shè)計狀態(tài)反響控制器。設(shè)計狀態(tài)察看器滿足極點要求。自學(xué)拓展：系統(tǒng)的解耦問題7、最優(yōu)控制（4學(xué)時）（支撐授課目的2）7.1最優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述7.2靜態(tài)最優(yōu)問題的解7.3最優(yōu)控制問題的描述目標(biāo)及要求：認(rèn)識最優(yōu)

9、化問題的基本看法。掌握靜態(tài)最優(yōu)問題的求解方法。認(rèn)識最優(yōu)化控制問題的基本看法。作業(yè)內(nèi)容：寫出最優(yōu)控制問題的前提條件及性能指標(biāo)形式。求解一元與多元函數(shù)的極值點與極值。自學(xué)拓展：失散時間系統(tǒng)的最優(yōu)控制描述。三、授課方法在授課方式上，依照詳盡授課內(nèi)容，綜合運用課堂講解、課堂談?wù)摗⒄n堂練習(xí)、發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)法和自學(xué)指導(dǎo)法，并經(jīng)過引入問題和啟示式授課，使學(xué)生更加明確授課內(nèi)容的知識系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，激發(fā)內(nèi)在學(xué)習(xí)動機，提升課堂的積極性，經(jīng)過課后習(xí)題，增強所學(xué)知識的理解和運用，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。同時，該課程中增加的特色授課方法說明以下：授課中增加實質(zhì)系統(tǒng)案例在課程講解過程中經(jīng)過實質(zhì)系統(tǒng)案例結(jié)合課本內(nèi)容進行講

10、解，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可防備學(xué)生出現(xiàn)只關(guān)注計算方法和計算過程，而忽略了詳盡系統(tǒng)的看法及為什么要采用這種方法的情況。比方在狀態(tài)空間表達式這部分內(nèi)容的授課過程中，只講解如何由高階微分方程或傳達函數(shù)來建立狀態(tài)空間表達式，學(xué)生經(jīng)常只知道如何把方法生搬硬套的拿來完成計算獲取結(jié)果，對過程中為什么設(shè)置這么多狀態(tài)變量，狀態(tài)變量和微分方程、傳達函數(shù)的聯(lián)系其實不關(guān)心，很簡單將該課程變成數(shù)學(xué)課。若是在授課過程中引入詳盡的工程案例，比方詳盡的電路、機械牽引、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)等，更簡單讓學(xué)生建立起實質(zhì)系統(tǒng)的看法，讓學(xué)生理解狀態(tài)空間法能解決的實責(zé)問題。課堂中引入Matlab軟件進行計算和演示在課堂授課中利用計算機資源，使用Matlab仿真軟件，既可以提升學(xué)生的興趣，又可以代替手算解決一些復(fù)雜計算的問題并給出直觀的數(shù)據(jù)仿真結(jié)果。比方在極點配置這部分內(nèi)容的授課過程中，會涉及系統(tǒng)能控性的鑒識和系統(tǒng)特色值的運算，解析過程受騙算會比較復(fù)雜。若是使用Matlab軟件可以很快的算出正確結(jié)果，節(jié)約不用要的計算時間。除此之外，Matlab還可將結(jié)果數(shù)據(jù)以圖像的形式演示出來，學(xué)生可以有更直觀的認(rèn)識，并加深對方法的掌握程度。別的，Matlab自帶的工具箱及命令語句的運用簡化了好多復(fù)