研究生课程教学大纲(现代控制工程)

《现代控制工程》课程教学大纲

Modern Control Engineering

课程代码：课程类别：专业基础开课学期：Ⅰ

教学方式：讲授考核方式：考试开课学院：电气

学时：32 学分： 2 主讲教师：汤青波

（一）教学目的及要求

《现代控制工程》是机械工程、仪器科学与技术专业的专业基础课。现代控制工程是在经典控制理论基础上，伴随着计算机技术的发展和普及逐步发展起来的，它以时域法特别是状态空间方法为主，研究系统状态的运动规律，并按所要求的各种指标为目标来改变系统的运动规律。本课程的教学目的：通过本课程的学习使学生了解现代控制理论的体系结构，熟练地掌握线性控制系统的状态空间描述、时域分析与离散化；掌握利用状态空间模型分析系统特性和校正系统的方法；熟练地掌握单输入、多输出系统的极点配置，全维与降维观测器的设计，状态反馈与观测器的工程应用。

在教学过程中应力求使学生掌握现代控制工程的基本概念、基本分析与设计方法，重在提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力和创新意识。要求授课教师在深刻理解教材内容的基础上，注意前后课程的衔接及本学科的发展，及时补充新内容，使学生及时了解到本学科的重要进展及发展动向。

（二）课程教学内容

第一章绪论（讲课2学时）

§1-1 控制理论的发展历程

§1-2 现代控制理论研究的主要分支

§1-3 本书的主要内容和特点

学习要求：明确本课程的内容、性质和任务以及学习本课程的意义，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。

本章重点：逆矩阵、线性无关与线性相关定义。

第二章控制系统的状态变量法建模（讲课6学时）

§2-1线性系统的状态空间模型

§2-2状态变量法建模

学习要求：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，线性定常系统状态方程的求解方法。

本章重点：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。

本章难点：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。

第四章稳定性与李雅普诺夫方法（讲课6学时）

§4-1李雅普诺夫稳定性概念

§4-2李雅普诺夫稳定性理论

§4-3李雅普诺夫稳定性分析法在线性系统中的应用

学习要求：正确理解稳定性基本概念和李雅普洛夫意义稳定性概念，熟练掌握李氏第一法,李氏第二法，掌握线性系统渐近稳定性分析和离散系统渐近稳定性分析方法。

本章重点：李雅普诺夫第一、第二法的主要定义与定理，李雅普诺夫函数，线性定常系统与非线性系统稳定性定理与判别，李雅普诺夫方程，渐近稳定性的分析与判别。

本章难点：李雅普诺夫函数的构造与选取，离散系统的稳定性定理及稳定判据。

第五章控制系统的能控性能观测性分析(讲课8学时)

§5-1线性系统的能控性及其判别

§5-2线性系统的能观测性及其判别

§5-3能控性和能观测性判别的特例

§5-4能控性和能观测性的对偶原理

§5-5线性系统的结构分解

§5-6能控性、能观测性与传递函数的关系

§5-7能控标准型与能观测标准型

学习要求：正确理解定常和离散系统可控性与可观性的基本概念与判据，熟练掌握可控标准型与可观标准型，对偶原理，规范分解。

本章重点：可控、可观的含义和定义，定常系统的可控、可观的各种判据，线性变换的不变性。

本章难点：可达性、可检测性和约当规范型判据。

第六章控制系统的状态空间综合（讲课8学时）

§6-1反馈控制系统的基本结构与特点

§6-2反馈控制与极点配置

§6-3系统镇定问题

§6-4状态观测器及其设计

§6-5状态反馈和状态观测器的应用

学习要求：理解状态反馈的概念，掌握状态观测器的设计方法，了解通过状态反馈的手段进行系统的校正和解耦控制方法。

本章重点：实现与最小实现的特点和性质，状态反馈与输出反馈的基本结构、性质和有关定理，单输入、多输出系统的极点配置，全维与降维观测器的设计，状态反馈与观测器的工程应用。

本章难点：最小实现的定义和求解方法，状态反馈与输出反馈实现的充要条件，带观测器的闭环反馈系统设计。

（三）学时分配表

（四）教材及主要参考书

教材：现代控制工程原理易孟林编华中科技大学出版社参考书：现代控制理论袁德成主编清华大学出版社

执笔：汤青波审核：审定：日期：2014年7月1日