现代控制理论基础课程教学大纲

1、PAGE PAGE - 8 -本科生课程大纲课程名称现代控制理论基础Fundamentals of Modern Control Theory课程代码082302101205课程属性学科基础课时/学分32/2课程性质必修实践学时0责任教师 课外学时64(32*2)课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修一、 课程介绍 1.课程描述：现代控制理论基础是自动化专业本科生的一门重要专业必修核心课程。该课程与本科生的许多专业课（自动控制原理、过程控制系统、计算机控制系统、控制系统仿真、系统辨识等）有着较强的联系。现代控制理论基础将为自动化专业、电子信息专业、计算

2、机科学与技术专业、机械设计制造及自动化等专业的学生，提供较系统的现代控制理论知识及基于现代控制理论的控制系统分析和设计方法，也将为各相关专业学生后续课程的学习及设计实践环节打下良好的理论基础。课程主要内容包括线性控制系统的状态空间描述、系统状态方程求解、线性系统的离散化、线性系统的李亚普诺夫稳定性分析、线性控制系统的能控性与能观测性及判定、状态观测器设计及状态反馈初步设计等内容。2.设计思路：依照教育部高等学校电子信息与电气学科教学指导委员会与自动化专业教学指导分委员会在2010年12月颁布的普通高校自动化专业规范，现代控制理论是自动化专业基础知识的核心部分，是最重要的课程之一。依照该规范，课

3、程内容主要包括：控制系统的状态空间表达式、线性系统状态方程的解、状态变量的可控性和可观性、线性定常系统的综合、状态观测器、解耦控制、李雅普诺夫稳定性、最优控制等。以现代控制理论课本章节顺序为基础，本课程的内容编排顺序为：（1）现代控制理论概论；（2）现代控制理论数学基础；（3）状态空间方法；（4）能控性与能观性；（5） 极点配置与状态观测器；（6）系统的稳定性；（7）最优控制理论介绍。3. 课程与其他课程的关系 先修课程：自动控制原理 后置课程：智能控制二、课程目标本课程的目标是培养学生的工程观点和工程设计能力，达到华盛顿公约规定的国际工程师认证的标准，培养符合国家经济发展需要的工程技术人才。

4、了解现代控制理论的产生与发展过程，现代控制理论研究的基本内容；理解相比经典控制理论，现代控制理论的主要优点。了解矩阵理论及微积分理论在现代控制理论中的作用；理解哈密尔顿-凯莱定理的含义；掌握矩阵微分方程表达。了解控制系统的状态空间一般表达方式，系统交连的解耦；理解传递函数矩阵概念和作用；掌握状态转移矩阵概念和作用，以及状态方程求解。了解零极点对消现象与能控能观性关系；理解常用的能控能观标准型及转换方法，掌握能控能观性及判别准则。了解常用的稳定性判别方法，理解基于能量函数的李雅普诺夫判稳方法的基本原理；掌握线性定常系统的李雅普诺夫判稳方法（直接法）。了解状态观测器和状态反馈设计的意义作用，理解基

5、于状态反馈进行极点配置及状态观测器的相关概念，掌握对能控标准型结构的系统进行极点配置的操作方法，及全状态观测器的设计方法。了解最优控制系统的基本问题和方法，以及常用的最优控制的性能指标。掌握最基本的二次型最优控制的计算机解法。三、学习要求最低学习要求：课前复习自动控制原理、线性代数、高等数学中的相关基础知识。每节课前预习讲义PPT。授课过程中，分小组围绕教师给定问题进行讨论，接受教师提问。参与随堂测验。在指定的答疑时间段与教师或助教积极互动。独立完成作业。独立完成综合性课程设计项目，提交报告。进一步学习指导：深入学习仿真程序帮助文件，掌握仿真动画、交互GUI在现代控制理论验证中的应用。深入学习

6、课本最优控制章节，理解变分法、二次线性调节器、二次线性伺服控制器，掌握代数黎卡提方程与微分黎卡提方程的解法。四、教学内容章节主题讲授内容学生阅读资料课下作业第零章现代控制理论概论现代控制理论的产生与发展过程，现代控制理论研究的基本内容，现代控制理论的应用例举，与经典控制理论比较查阅互联网上介绍现代控制理论的信息撰写短文，介绍一位著名控制理论学者的学术贡献第一章数学基础矩阵理论及二次型，矩阵微分，相关线性代数定理PPT讲义、线性代数齐次非齐次线性方程组的解法，特征值、特征向量的求解第二章第一节状态空间方法控制系统的状态方程导论，微分方程化状态方程，传递函数化状态方程PPT讲义第二章第二节状态空间

7、方法状态方程例题讲解，计算机仿真状态方程PPT讲义，MatLab指令文档课本2.2-2.10MatLab仿真作业第二章第三节状态空间方法状态转移矩阵及齐次非齐次状态方程求解PPT讲义课本3.1-3.53.11，MatLab仿真作业第二章第四节状态空间方法传递函数矩阵，系统交连的解耦PPT讲义第二章第五节状态空间方法离散系统状态方程，连续状态方程离散化PPT讲义课本3.14-3.17第三章第一节能控性与能观性能控能观性导论PPT讲义第三章第二节能控性与能观性线性定常系统的能控能观性判据PPT讲义课本4.1-4.4第三章第三节能控性与能观性零极点对消现象与能控能观性关系PPT讲义课本4.14-4.

8、17第三章第四节能控性与能观性对偶原理，能控能观标准型PPT讲义课本4.8-4.11第四章第一节极点配置与状态观测器基于状态反馈的极点配置方法PPT讲义课本5.1，5.6第四章第二节极点配置与状态观测器全维状态观测器的设计方法，降维状态观测器简介PPT讲义课本5.3，5.5第五章第一节系统的稳定性稳定性基本概念，李雅普诺夫直接法判稳PPT讲义第五章第二节系统的稳定性线性定常系统的二次型李雅普诺夫函数PPT讲义课本7.1-7.3第六章最优控制理论介绍介绍最优控制系统的基本问题和方法，常用的最优控制的性能指标，二次型最优控制的一般格式PPT讲义, ，MatLab指令文档综合性设计项目五、参考教材与

9、主要参考书选用教材现代控制理论，于长官，哈尔滨工业大学出版社，2005年第三版主要参考书自动控制原理（下册），吴麒，清华大学出版社，2006年第二版Linear System Theory and Design, Chi-Tsong Chen, Oxford University Press, 1999 Third Edition电子资源现代控制理论视频教程，山东大学网络教育学院， HYPERLINK 六、成绩评定 （一）考核方式： A.闭卷考试 A.闭卷考试 B.开卷考试 C.论文 D.考查 E.其他（二）课程综合评分方法： 课程设计大作业、普通作业、平时测验、课堂讨论及平常表现10%期末考

10、试90%总计100%七、学术诚信学习成果不能造假，如考试作弊、盗取他人学习成果、一份报告用于不同的课程等，均属造假行为。他人的想法、说法和意见如不注明出处按盗用论处。本课程如有发现上述不良行为，将按学校有关规定取消本课程的学习成绩。八、大纲审核教学院长： 院学术委员会签章：Syllabus for undergraduate of OUCCourse Name：Fundamentals of Modern Control Theory Course Time：Spring semester, usually session 1-2 on ThursdaysCourse Teacher：Dr.

11、Ping REN1.Course OverviewThis course presents the fundamentals of modern control theory with specialization to time-invariant systems. It is a required core course to undergraduates majored in Automation. The course is heavily related to other major courses such as Automatic Control Theory, Process

12、Control System, Control System Simulation, System Identification, etc. Topics include but are not limited to state space representation, state equation solution, discretization of linear system, Lyapunov stability, controllability, observability, state observer, state feedback synthesis and so on. S

13、tudents will develop a basic knowledge of modern control theory that is of sufficient depth to begin reading the subject literature.2.Student Learning OutcomesThrough learning this course, students should obtain the following outcomes:Know the birth and development of modern control theory; be aware

14、 of basic topics in the research on modern control theory; understand the advantages of modern control theory, especially when compared with classical control theory.Know how to apply matrix theory and calculus in modern control theory; understand Cayley-Hamilton theorem; master matrix differential

15、equation representation.Know the general state-space representation of control systems; understand system decoupling; understand the contribution of transfer function matrix; understand the concept of state transition matrix and how to solve a state equation.Know the relationship between zero-pole c

16、ancellation and controllability & observability; understand controllability and observability canonical forms and their transformation schemes; master controllability and observability criteria.Know the commonly used stability criteria; understand Lyapunov stability criterion based on energy-like fu

17、nctions; master Lyapunov stability criterion of linear time-invariant systems.Know the meaning of state feedback and state observer; understand state-feedback based pole-placement approach; master the assignment of poles for a system in controller canonical form; master the synthesis of full dimensi

18、on state observer.Know the basic problems and approaches of optimal control and the commonly used performance indices; master how to solve a basic quadratic optimal control problem using computer simulation. 3.Course ExpectationsStudents are encouraged to review all related knowledge they have learn

19、ed in automatic control theory, linear algebra and calculus, and pre-study the PowerPoint handouts before each lecture. Students in class are expected to participate in group discussions on the topics assigned by the instructor, and prepare for the instructors questions. Quizzes will be conducted in

20、 some lectures. Students are expected to actively join in the Q&A session organized by the instructor and the teaching assistant. Homework assignments must be accomplished independently as well as the comprehensive course project. A few selected assignments must be typed on a word-processor and subm

21、itted electronically. For the course project, a formally written report must be submitted.4.AssignmentsAssignments are due at the start of each class and no late homework is accepted! Students must accomplish their homework independently. Students are permitted to discuss homework questions with oth

22、er students, although they are not permitted to discuss solutions directly. Assignments are mainly problems selected from the textbook. Each semester, there are about ten assignments. Examples of the assignments are shown below:Problem 2.2-2.10Problem 3.1-3.5, 3.11Problem 3.14-3.17Problem 4.1-4.4Pro

23、blem 4.14-4.17Problem 4.8-4.11Problem 5.1,5.6Problem 5.3,5.5Problem 7.1-7.3Comprehensive course projectIn additional to the written assignments above, several numerical simulation assignments will be given as well. Students must turn in electronically their codes, plus figures generated by running t

24、heir programs and brief descriptions.5.Books To PurchaseModern Control Theory, Third Edition, Changguan YU, HIT Press, 2005 Linear System Theory and Design, Third Edition, Chi-Tsong CHEN, Oxford University Press, 1999 6.Grading PolicyThe following approximate grading policy will be used to compute the final course grade:Course Project, Quizzes, Homework assignments, Class performances 10%Final (closed books, closed notes)90%Total100%7.Course C