现代控制技术_课程大纲
《现代控制理论》 教案大纲
一、教案概述1.1 课程背景《现代控制理论》是自动化、电气工程及其相关专业的一门重要专业课程。
通过本课程的学习，使学生掌握自动控制系统的基本概念、基本原理和基本方法，培养学生分析和解决自动控制问题的能力。
1.2 教学目标（1）理解自动控制系统的数学模型，包括连续系统和离散系统；（2）掌握线性系统的时域分析法、频域分析法；（3）熟悉系统的稳定性、线性度、精确度等性能指标；（4）学会设计PID控制器、状态反馈控制器等；（5）培养学生运用现代控制理论分析和解决实际问题的能力。
二、教学内容2.1 自动控制系统的基本概念（1）自动控制系统的定义；（2）自动控制系统的类型；（3）自动控制系统的性能指标。
2.2 自动控制系统的数学模型（1）连续系统的数学模型；（2）离散系统的数学模型。
2.3 线性系统的时域分析法（1）系统的稳定性；（2）系统的线性度；（3）系统的精确度。
2.4 线性系统的频域分析法（1）系统的幅频特性；（2）系统的相频特性；（3）系统的裕度。
2.5 控制器的设计方法（1）PID控制器的设计；（2）状态反馈控制器的设计。
三、教学方法3.1 课堂讲授通过讲解、案例分析等方式，使学生掌握自动控制系统的相关理论知识。
3.2 实验教学通过自动控制实验，使学生了解和掌握自动控制系统的实际运行情况，提高学生分析和解决实际问题的能力。
3.3 讨论与交流组织学生进行小组讨论，分享学习心得，互相答疑解惑。
四、教学评价4.1 平时成绩包括课堂表现、作业完成情况、实验报告等。
4.2 期末考试包括选择题、填空题、计算题、简答题等，全面测试学生对课程知识的掌握程度。
五、教学资源5.1 教材《现代控制理论》，作者：张发展战略、李翠莲。
5.2 辅助教材《现代控制理论教程》，作者：王庆伟。
5.3 实验设备自动控制实验装置、示波器、信号发生器等。
5.4 网络资源相关在线课程、学术文章、论坛讨论等。
六、教学安排6.1 课时安排本课程共计32课时，包括16次课堂讲授，8次实验教学，8次讨论与交流。
《现代控制理论》 教案大纲
《现代控制理论》教案大纲第一章：现代控制理论概述1.1 控制理论的发展历程1.2 现代控制理论的基本概念1.3 现代控制理论的应用领域1.4 本章小结第二章：线性系统的状态空间表示2.1 状态空间的概念2.2 线性系统的状态空间表示2.3 状态方程和输出方程2.4 本章小结第三章：线性系统的稳定性分析3.1 系统稳定性的概念3.2 线性系统的稳定性条件3.3 劳斯-赫尔维茨稳定判据3.4 奈奎斯特稳定判据3.5 本章小结第四章：线性系统的控制器设计4.1 控制器设计的目标4.2 比例积分微分控制器（PID控制器）4.3 状态反馈控制器4.4 观测器设计4.5 本章小结第五章：非线性系统的控制5.1 非线性系统的基本概念5.2 非线性系统的状态空间表示5.3 非线性系统的稳定性分析5.4 非线性控制器设计方法5.5 本章小结第六章：采样控制系统6.1 采样控制理论的基本概念6.2 采样控制系统的数学模型6.3 采样控制系统的稳定性分析6.4 采样控制系统的控制器设计6.5 本章小结第七章：数字控制系统7.1 数字控制系统的组成与特点7.2 数字控制器的原理与设计7.3 数字控制系统的稳定性分析7.4 数字控制系统的仿真与实现7.5 本章小结第八章：现代控制方法8.1 模糊控制理论8.2 自适应控制理论8.3 神经网络控制理论8.4 智能控制理论8.5 本章小结第九章：现代控制理论在工程应用中的实例分析9.1 工业控制系统中的应用9.2 航空航天领域的应用9.3 交通运输领域的应用9.4 生物医学领域的应用9.5 本章小结第十章：现代控制理论的发展趋势与展望10.1 控制理论研究的新领域10.2 控制理论在新技术中的应用10.3 控制理论的发展前景10.4 本章小结重点和难点解析一、现代控制理论概述难点解析：理解控制理论的演变过程，掌握现代控制理论的核心思想。
二、线性系统的状态空间表示难点解析：理解状态空间的物理意义，熟练运用状态空间表示线性系统。
《现代控制理论》课程教学大纲
1-3课程教学大纲《现代控制理论》教学大纲一、课程中文名称现代控制理论二、课程英文名称morden control theory三、课程类别专业基础课四、学时与学分学时：48 学分：3五、授课对象自动化、电气自动化专业大三学生六、先修课程高等数学、线性代数、复变函数、自动控制原理等七、后续课程计算机控制八、教学目的《现代控制原理》是自动化专业最基本的专业理论课程，此大纲是根据本专业的教学计划，考虑到本专业的教学特点以及学生进一步学习过程控制系统、计算机控制等课程的需要而编写的，其主要目的是通过本课程的学习，使学生较好的掌握分析和设计控制系统的基本思想和基本方法，提高学生分析问题和解决问题的能力，为以后的课程的学习奠定一定的理论基础。
九、课程讲授内容第一章：绪论，了解控制理论的发展概况，以及现代控制理论的主要特点，内容和研究方法，复习、补充有关《线性代数》的内容。
重点内容：逆矩阵、线性无关与线性相关定义、非齐次方程求解、哈密顿定理、定号性理论等。
第二章 , 控制系统的状态空间表达式: 正确理解线性系统的数学描述，状态空间的基本概念，熟练掌握状态空间的表达式，线性变换。
重点内容：状态空间表达式的建立，状态转移矩阵和状态方程的求解，线性变换的基本性质，传递函数矩阵的定义。
要求熟练掌握通过传递函数、微分方程和结构图建立电路、机电系统的状态空间表达式，并画出状态变量图，以及能控、能观、对角和约当标准型。
难点：状态变量选取的非唯一性，多输入多输出状态空间表达式的建立。
第三章 , 控制系统状态空间表达式的解：本章重点讨论状态转移矩阵的定义、性质和计算方法，从而导出状态方程的求解公式。
正确理解线性定常系统状态方程的求解方法，了解线性离散系统状态方程的求解方法。
第四章 , 线性系统的能控性和能观性: 正确理解定常和离散系统能控性与能观性的基本概念与判据，熟练掌握能控标准型与能观标准型，对偶原理，规范分解，理解传递函数的实现问题。
现代控制工程教学大纲新版
现代控制工程教学大纲
• • • • • • • • • • 第一章 控制系统的状态空间描述 §1.1控制系统中状态的基本概念 §1.2控制系统的状态空间模型表达式及结构图 §1.3状态空间表达式建立的部分方法 §1.3状态空间表达式的特征标准型 掌握要点： 1.基本概念 系统的状态、状态变量、状态向量、状态空间 2.控制系统的状态空间模型及意义 状态方程和输出方程组成的状态空间表达式，状态空间描述反映 了控制系统的全部信息，是对系统特性的全部描述，是实现现代 控制系统分析、设计的重要数学模型。
国 家 经 济 发 展 规 划 工业发展规划G0j(t) 农业发展规划H0j(t) 科技发展规划K0j(t) 能源发展规划Y0j(t) 资源发展规划Z0j(t) 交通发展规划T0j(t) ┊
规划 修正 N 发改委宏观调控 △XJ=X0j(t)-XJ（t） <εj? 统计 划 部 门
现代控制工程教学大纲
• §1.2控制系统的状态空间模型表达式及结构图 dX (t ) • 状态方程 X (t ) f [ X (t ), u (t ), t ] dt • y (t ) g[ x(t ), u (t ), t ] • 输出方程 控制系统的状态空间模型： 是由状态方程和输出方程组成的状态空间表达式。状态方程是一 个一阶微分方程组，描述系统输入与系统状态的变化关系，即系 统的内部描述；输出方程是一个代数方程，主要描述系统状态与 系统输入输出的关系，即系统的外部描述。意义：状态空间描述 反映了控制系统的全部信息，是对系统特性的全部描述，是实现 现代控制系统分析、设计的重要数学模型。（结构图P10） 模型分类：非线性时变、非线性定常、线性时变、线性定常系统
现代控制工程教学大纲
• §1.3状态空间表达式建立的部分方法 一、物理法：根据系统的物理机理建立状态空间表达式方法： • 1.确定输入、输出、状态变量； • 2.基于物理、化学、生物、社会经济等定理定律，列出动态特 性微分方程； • 3.消去中间变量，建立一阶微分状态方程和代数输出方程。 • 二、相变量法： • 根据系统微分方程建立状态空间表达式方法： • 1.微分方程中不含输入函数导数项时： • 直接选各阶导数为状态变量，整理获得 • 2.微分方程中含输入函数导数项时： • 待定系数法或中间变量法 • 根据系统传递函数阵建立状态空间表达式方法：
《现代控制理论》课程教学大纲
《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。
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。
《现代控制理论》 教案大纲
《现代控制理论》教案大纲第一章：绪论1.1 课程背景与意义1.2 控制系统的基本概念1.3 控制理论的发展历程1.4 控制理论的应用领域第二章：控制系统数学模型2.1 连续控制系统数学模型2.2 离散控制系统数学模型2.3 状态空间描述2.4 系统矩阵的性质与运算第三章：线性系统的时域分析3.1 系统的稳定性3.2 系统的瞬时性3.3 系统的稳态性能3.4 系统的动态性能第四章：线性系统的频域分析4.1 频率响应的概念4.2 频率响应的性质4.3 系统频率响应的求取方法4.4 系统频域性能指标第五章：线性系统的校正与设计5.1 系统校正的基本概念5.2 常用校正器及其特性5.3 系统校正的方法5.4 系统校正实例分析第六章：非线性控制系统分析6.1 非线性系统的基本概念6.2 非线性系统的数学模型6.3 非线性系统的稳定性分析6.4 非线性系统的控制策略第七章：状态反馈与观测器设计7.1 状态反馈控制的基本原理7.2 状态反馈控制器的设计方法7.3 观测器的设计与分析7.4 状态反馈控制系统应用实例第八章：先进控制策略8.1 鲁棒控制8.2 自适应控制8.3 最优控制8.4 智能控制第九章：最优控制理论9.1 最优控制的基本概念9.2 线性二次调节器（LQR）9.3 离散时间最优控制9.4 最优控制的应用第十章：现代控制理论在工程应用10.1 现代控制理论在自动化领域的应用10.2 现代控制理论在控制中的应用10.3 现代控制理论在航空航天领域的应用10.4 现代控制理论在其他领域的应用第十一章：鲁棒控制理论11.1 鲁棒控制的基本概念11.2 鲁棒控制的设计方法11.3 鲁棒控制的应用实例11.4 鲁棒控制在实际系统中的性能评估第十二章：自适应控制理论12.1 自适应控制的基本概念12.2 自适应控制的设计方法12.3 自适应控制的应用实例12.4 自适应控制在复杂系统中的应用与挑战第十三章：数字控制系统设计13.1 数字控制系统的概述13.2 数字控制器的设计方法13.3 数字控制系统的仿真与实验13.4 数字控制系统在实际应用中的案例分析第十四章：控制系统中的计算机辅助设计14.1 计算机辅助设计的基本概念14.2 控制系统CAD工具与方法14.3 基于软件的控制系统设计与仿真14.4 控制系统CAD在现代工程中的应用案例第十五章：现代控制理论的前沿与发展15.1 现代控制理论的最新研究动态15.2 控制理论与其他领域的交叉融合15.3 未来控制理论的发展趋势15.4 控制理论在解决现实世界问题中的潜力与挑战重点和难点解析本《现代控制理论》教案大纲涵盖了现代控制理论的基本概念、方法与应用，分为十五个章节。
《现代控制理论》教学大纲
《现代控制理论》教学大纲课程中文名称：现代控制理论课程代码：34541课程英文名称：Theory of Modern Control课程类别与性质：专业选修课总学时：48 学时学分：3 学分先修课程：控制工程基础，高等数学，线性代数面向对象：测控技术与仪器专业开课系(室)：测控科学与技术系一、课程教学目标本课程是测控技术与仪器专业高年级学生的一门专业选修课，是在学习古典控制理论后对现代控制理论的入门教育。
随着计算机技术的迅猛发展，对非线性和复杂系统的研究也日益深入和广泛，从控制策略上进行理论上的分析，对被测控对象进行建模和控制是很有必要的。
培养学生掌握现代控制理论的思想和分析方法是本课程的重点。
（一）知识目标通过本课程的学习，要求学生能从与古典控制理论相对比的角度，从物理概念上懂得现代控制理论的新概念和新方法。
掌握系统数学模型建立、求解、能控能观性、稳定性等知识。
了解离散和时变系统的基本控制理论。
（二）能力目标通过本课程的学习，学生应获得如下能力：掌握对控制系统进行数学建模的能力；绘制系统模拟结构图的能力；求解系统状态空间表达式解的能力；判定系统能控性和能观性的能力；判定非线性系统稳定性的能力等。
提高学生的自主学习能力；动探索和独立思考的能力并激发学生的应用创新意识。
（三）素质目标通过本课程的学习，应注意培养学生以下素质：针对具体的自动控制系统，利用合适的数学工具进行建模和控制语言进行表达，并进行系统性能分析的素养；初步具备对计算机控制系统进行分析和设计的素养。
掌握用现代控制论知识解决实际问题的方法与手段；具有良好的科学态度和创新合作精神。
二、课程教学内容及学习目标知识单元1：绪论参考学时 3学时学习内容：控制系统的组成、现代控制理论的特点、应用、发展现状和趋势，以及本课程的特点与学习方法等。
重点和难点：理解现代控制的基础分析方法以及传统控制理论的区别知识单元2：状态空间表达式参考学时 12学时学习内容：状态向量与状态方程；模拟结构图的绘制；状态方程的建立；状态空间表达式的线性变换；传递函数和状态空间表达式的相互转化。
现代控制理论课程教学大纲
《现代控制理论》课程教学大纲课程名称：现代控制理论课程代码：ELEA3024英文名称：Modern Control Theory课程性质：专业选修课程学分/学时：2学分/36学时开课学期：第6学期适用专业：电气工程及其自动化先修课程：高等数学、线性代数、复变函数与积分变换、自动控制原理、普通物理、电路原理后续课程：无开课单位：机电工程学院课程负责人：杨歆豪大纲执笔人：高瑜大纲审核人：余雷一、课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及应达到的水平）课程性质：《现代控制理论》是电气工程及自动化专业的一门专业选修课程。
区别于经典控制理论，现代控制理论以状态空间模型为基础，主要研究系统内部状态量的运动规律，并提出了能控性、能观测性、李雅普诺夫稳定性理论、极点配置、状态观测器设计、最优控制等线性系统分析方法。
重在培养学生扎实的理论基础及控制系统的设计能力。
教学目标：通过本课程的教学，使学生掌握现代控制理论的基本内容，为后续课程的学习以及从事复杂的过程控制工作打下基础。
本课程的具体教学目标如下：1.掌握如何根据系统物理机制建立状态空间表达式的具体方法，培养学生对电路、机械等实际控制系统的建模能力；2.掌握如何运用状态空间方法对实际系统的进行分析，培养学生对现代控制方法的设计能力。
教学目标与毕业要求的对应关系：二、课程教学内容及学时分配（含课程教学、自学、作业、讨论等内容和要求，指明重点内容和难点内容）（重点内容：★；难点内容：∆）1、绪论（2学时）（支撑教学目标1）1.1控制理论的性质1.2控制理论的发展1.3控制理论的应用1.4控制一个动态系统的几个基本步骤。
目标及要求：1)明确本课程的内容、性质和任务以及学习本课程的意义。
2)了解控制理论的发展概况，以及现代控制理论的主要特点，内容和研究方法。
讨论内容：现代控制理论与经典控制的特点比较。
作业内容：复习与回顾《线性代数》中矩阵的基本运算方法。
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现代控制技术
一、课程基本情况
课程编号40240462学分 2 总学时32
课程名称中文名称现代控制技术
英文名称Modern Control Technology
教学目的与重点（一）、课程的重要性
现代科学技术的迅猛发展，不仅推动了控制技术更加广泛的应用，而且对控制问题提出了越来越高的要求。
基于反馈控制理论的经典控制技术一般只能解决线性定常系统中的单输入-单输出问题。
而在现代社会的生产实践和科研工作中，比如卫星发射与控制、机器人控制等高科技领域，涉及的实际问题往往是多输入-多输出的多变量控制系统，甚至是时变系统。
这样的问题用经典控制理论的方法来分析十分困难，而用现代控制理论来解决其控制问题则比较有效。
因此作为计算机、自动化和机电一体化等专业的高年级本科学生，通过本课程的学习，掌握现代控制理论最核心和最基础的理论和一般方法。
对于将要从事的科学研究或生产实践工作都非常重要。
本课程的内容还是学生进一步学习或研究自适应控制、大系统理论及智能控制理论的必要基础。
本课程的学习对于扩大知识面、掌握分析和解决问题的一般方法，也有很好的启发和引导作用。
（二）、课程在内容安排及教学过程中的特色
本课程一方面对于控制系统的状态空间描述及其运动分析方法；线性控制系统的能控性、能观性及李雅普诺夫稳定性分析等的基础理论，进行详细透彻的讲解，并通过作业、思考题、大作业、网上交流、质疑、答疑和互通邮件等方式，使学生掌握现代控制理论的基本研究方法、概念和原理，在相关领域打下坚实的理论基础。
同时对控制系统的综合（极点配置、状态反馈等）和最优控制基础等内容，则主要注重概念和解决问题思路的讲解介绍，使学生对现代控制理论的应用方法、发展趋势和热点问题有所了解。
（三）、通过该课程学习学生应掌握的知识、达到的水平或能力通过本课程的学习，学生应掌握现代控制理论的基本研究方法、概念和原理，在相关领域打下坚实的理论基础。
对控制系统的综合（极点配置、状态反馈等）和最优控制的基本概念、思路和方法有所了解。
能够运用现代控制技术解决简单的实际问题。
课程类型□文化素质课□公共基础课□学科基础课√专业基础课□专业课□其它
教学方式√讲授为主□实验/实践为主□专题讨论为主□案例教学为主□自学为主□其它
授课语言√中文□中文＋英文（英文授课>50%）□英文□其他外语
考核方式及成绩评定标准考核方式：课堂测验+ 大作业
成绩评定标准：根据考试成绩、平时作业和大作业综合评定
教材及主要参考书⏹教材
自制课件
⏹主要参考书
[1] 常春馨，《现代控制理论基础》，机械工业出版社，1998年
[2] 郑大钟，《线性系统理论》，清华大学出版社，2002年
先修要求、适用院系及专业⏹先修课程
《系统分析与控制》或《自动控制原理》⏹适用院系及专业
计算机、自动化、机电一体化等
二、课程内容简介
本课程主要讲述现代控制理论中最核心的内容，主要包括控制系统的状态空间描述及其运动分析方法；线性控制系统的能控性、能观性及李雅普诺夫稳定性分析；控制系统的综合与最优控制基础。
The course teaches basic knowledge of Modern Control Theory, mainly includes state-space based presentation of control system and its solution method analysis, controllability and observability of linear control system, Lyapunov stability analysis, control system synthesis and introduction of optimal control.
三、课程主要教学内容
第零章绪论
0.1 控制理论的发展概况
0.2 现代控制系统举例
0.3 现代控制与经典控制对比
0.4 关于Matlab
第一章系统的状态空间描述
1.1 状态空间描述的相关概念
1.2 微分方程化为状态空间描述
1.3 传递函数化为状态空间描述
1.4 状态方程的规范形式
1.5 小结
第二章线性系统的运动与离散化
2.1 线性定常系统的自由运动
2.2 矩阵指数的计算方法
2.3 线性定常系统的受控运动
2.4 离散系统的状态空间描述
2.5 离散时间系统状态方程求解
2.6 线性连续系统的离散化
2.7 线性时变系统的解
2.8 小结
第三章控制系统的李亚普诺夫稳定性
3.1 李亚普诺夫第二法的概述
3.2 李亚普诺夫意义下的稳定性
3.3 李亚普诺夫稳定性定理
3.4 线性系统的李亚普诺夫稳定性分析
3.5 非线性系统的李亚普诺夫函数
3.6 李亚普诺夫第二法的其他应用
3.7 小结
第四章线性控制系统的能控性与能观性
4.1 能控性与能观性的概念
4.2 线性系统的能控性判据
4.3 线性系统的能观性判据
4.4 线性定常离散系统的能控能观判据
4.5 能控规范型和能观规范型
4.6 系统能控性和能观性的对偶原理
4.7 结构分解与最小实现问题
4.8 小结
第五章状态反馈与状态观测器
5.1 概述
5.2 状态反馈与输出反馈
5.3 极点配置问题
5.4 状态重构问题
5.5 状态观测器的设计
5.6 降维观测器
5.7 小结
第六章最优控制基础
6.1 最优控制问题的一般提法
6.2 有限时间LQ调节问题
6.3 无限时间LQ调节问题的最优解
6.4 小结
四、实验及大作业内容
实验（一）：现代控制技术课程实验
⏹实验目的：
掌握利用相关工具对复杂控制系统进行分析设计的方法。
⏹实验内容：
按照给定的题目要求，完成系统的建模、分析与控制器设计，基于MATLAB 的Control Toolbox进行控制仿真，根据仿真对系统进行分析与改进。
⏹实验类型：
综合设计型实验
五、课程知识单元与知识点
CT1：控制系统的状态空间描述及其运动分析方法
状态空间表示法
线性定常/时变系统状态方程求解
离散/连续时间系统状态方程求解
CT 2：线性控制系统的能控性、能观性
能控性概念及判据
能观测性概念及判据
对偶原理
线性系统结构分解和传递函数实现
CT 3：李雅普诺夫稳定性分析
李雅普诺夫稳定性基本定理
线性系统的李雅普诺夫稳定性分析
非线性系统的李雅普诺夫稳定性分析
李雅普诺夫第二法的其他应用
CT 4：控制系统的综合和最优控制基础
状态反馈和极点配置
解耦问题和观测器
最优控制基本原理
线性二次型最优控制。