《现代控制理论》教学大纲.docx

《现代控制理论》教学大纲

适用范围：202X版本科人才培养方案

课程代码课程性质：专业必修课

学分：2.5学分

学时：40学时（理论40学时，实验0学时）

先修课程：线性代数、自动控制原理

后续课程：智能控制、运动控制

适用专业：自动化

开课单位：电气工程与自动化学院

一、课程说明

《现代控制理论》是自动化（含专升本）专业必修课。现代控制是自动控制理论的一个重要组成部分，它包含线性系统理论、非线性系统理论、最优控制理论、随机控制理论、大系统理论等学科内容，比经典控制理论所能处理的问题广泛得多。本课程以线性系统理论的分析综合为主，主要内容包括线性系统状态空间模型描述，线性系统状态空间方程求解，线性系统能控性、能观性分析，李雅普诺夫稳定性理论，线性定常系统的状态反馈控制等。通过本课程学习，使学生从宏观角度把握现代控制理论课程的体系结构，系统地掌握线性系统理论的基本知识与控制器设计方法，做到概念融会贯通，解题方法技巧灵活，为运用现代控制理论基本方法分析解决实际控制问题和后续学习与研究奠定基础。

二、课程目标

通过本课程的学习，使学生达到如下目标：

课程目标1：熟悉状态空间的基本概念，掌握线性系统状态空间模型的描述、变换与求解方法；熟悉现代理论的发展历程、内容体系及其控制科学家贡献，传承中国科学家精神。

课程目标2：能够运用数理知识建立控制系统的状态空间模型，利用现代控制理论方法分析系统的能控性、能观性、稳定性和求解状态响应；掌握线性系统极点配置、状态观测器设计与状态反馈控制器设计的原理与方法。

课程目标3：能够使用MATLAB等仿真软件进行线性系统状态空间模型的变换求解和系统能控性、能观性、稳定性分析、极点配置与状态反馈控制系统设计，为应用现代控制理论分析解决实际工程问题奠定基础。

三、课程目标与毕业要求

《现代控制理论》课程教学目标对自动化专业毕业要求的支撑见表1。

表1课程教学目标与毕业要求关系

毕业要求

指标点

课程目标

支撑

强度

1.工程知识

1.2：能够将数理和工程科学技术基础知识用于对自动控制相关复杂工程问题建立数学模型并求解。

课程目标1：熟悉状态空间的基本概念，掌握线性系统状态空间模型的描述、变换与求解方法；熟悉现代理论的发展历程、内容体系及其控制科学家贡献，传承中国科学家精神。

H

2.问题分析

2.1：能应用数学、自然科学和工程科学的基本原理和标准规范，识别与表达自动控制领域相关的复杂工程问题。

课程目标2：能够运用数理知识建立控制系统的状态空间模型，利用现代控制理论方法分析系统的能控性、能观性、稳定性和求解状态响应；掌握线性系统极点配置、状态观测器设计与状态反馈控制器设计的原理与方法。

H

5.使用现代工具

5.2：能够选择和使用恰当的现代仪器、系统仿真与设计软件、信息技术工具对自控制领复杂工程问题进行分析、计算和设计。

课程目标4：能够使用MATLAB等仿真软件进行线性系统状态空间模型的变换求解和系统能控性、能观性、稳定性分析、极点配置与控制系统设计，为应用现代控制理论分析解决实际工程问题奠定基础。

M

注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。

四、教学内容、基本要求与学时分配

现代控制理论课程教学内容、基本要求与学时分配见表2。

表2教学内容、基本要求与学时分配

教学内容

教学要求，教学重点难点

理论学时

实验学时

对应的课程目标

1.现代控制理论概述

1.1控制理论的发展1.2现代控制理论与自动控制比较

1.3现代控制理论内容体系

教学要求：熟悉控制理论的发展史；理解现代控制与经典控制的异同；熟悉现代控制内容体系。

重点：现代控制与经典控制的比较。

难点：现代控制与经典控制区别。

2

0

1

系统的状态空间描述

状态空间的概念

状态空间表达式与传递函数矩阵

线性系统的数学模型变换

离散系统状态空间模型

非线性系统局部线性化

教学要求：熟悉状态空间的基本概念与模型描述方法；熟练掌握由传递函数、微分方程、模拟结构图建立系统状态空间模型的方法；理解线性变换的性质及其求系统对角/约当标准型的方法；了解离散/非线性系统的状态空间表达。

重点:状态变量与状态空间模型建立方法、传递函数矩阵求解方法、系统对角标准型求解方法。

难点:传递函数的状态空间模型实现。

8

0

1、3

3.线性系统状态空间方程求解

3.1线性定常系统状态方程的解

3.2线性时变系统状态方程的解

3.3离散时间系统状态方程的解

3.4连续系统离散化

教学要求：掌握状态转移矩阵的概念、转移矩阵的运算性质和计算方法；重点掌握线性定常系统齐次状态方程和非齐次状态方程的解。

重点:线性定常系统状态转移矩阵的运算性质及计算方法；线性定常系统齐次解与非齐次解。

难点:线性定