现代控制理论课程教学大纲

现代控制理论课程教学大纲一、课程基本信息课程编号：201404103课程中文名称：现代控制理论课程英文名称：ModernControlTheory课程性质：专业基础课程开课专业：自动化、测控技术与仪器、电气工程及其自动化、探测制导与控制技术开课学期：6总学时：40（其中理论36学时，实验4学时，上机0学时，其它0学时）总学分：2.5二、课程目标目标1：掌握线性系统状态空间法的基本概念和建模方法，能够针对船舶控制及自动化系统、测控与导航系统、电力与电气传动系统、船舶电力系统、探测制导系统等复杂系统的特点选择恰当方法进行状态空间建模。（对应指标点5-3）目标2：掌握线性系统定量和定性分析方法，能够综合运用相关知识分析船舶控制及自动化系统、测控与导航系统、电力与电气传动系统、探测制导系统等复杂系统的工程问题。（对应指标点1-4）。目标3：掌握线性系统的设计方法，能够针对船舶控制及自动化系统、测控与导航系统、电力与电气传动系统、探测制导系统等复杂系统的设计需求进行系统分析，并结合分析结论设计系统的控制解决方案。（对应指标点3-1）本课程的目标是使学生掌握线性系统的状态空间基本分析与设计方法，通过本课程的教学和倒立摆实验，使学生掌握实际控制系统数学模型建立，能控性、能观性和稳定性分析，极点配置控制器设计以及系统调试的方法等，为今后的学习和成为合格的工程技术人员奠定扎实的基础。三、教学基本要求1、通过学习线性系统状态空间法的基本概念和建模方法，能够将状态空间法应用于多输入多输出复杂系统，建立复杂系统的状态空间描述。掌握线性系统外部描述和状态空间描述的基本概念；掌握建立复杂物理系统的状态空间描述的方法；掌握能控规范形、能观测规范形、对角线规范形和约当规范形的形式、存在条件；掌握状态空间实现方法，能够实现系统的外部描述和内部描述之间的相互转换；掌握线性系统的坐标变换方法和特性，能够实现不同状态空间描述形式间的转化；掌握建立组合系统状态空间描述的方法。（对应目标1）2、能够应用线性系统的状态空间分析方法对船舶控制及自动化系统、测控与导航系统、电力与电气传动系统、探测制导系统等复杂系统进行分析。掌握线性系统的运动分析方法；掌握线性系统的能控性和能观性的定义、判别方法；掌握线性系统按能控性、能观性结构分解的方法；掌握系统稳定性的概念、稳定性判别定理，能够判断系统的稳定性；掌握对偶系统和对偶原理；掌握系统内部稳定和外部稳定的关系。（对应目标2）3、能够应用线性系统的状态空间设计方法对船舶控制及自动化系统、测控与导航系统、电力与电气传动系统、探测制导系统等复杂系统进行综合。掌握状态反馈的基本概念和状态反馈设计方法，能够针对多输入输出线性系统进行状态反馈极点配置并实验验证；了解状态反馈和输出反馈的基本概念和状态空间描述；了解状态观测器的基本概念；掌握态观测器的设计方法；掌握分离原理，能够对基于状态观测器的状态反馈系统进行设计并实验验证。（对应目标3）四、教学内容与学时分配1绪论(2学时)1.1控制理论发展过程1.2线性系统理论的数学基础2线性系统的状态空间描述（7学时）2.1系统的输入输出描述2.2线性系统状态空间描述2.3化输入输出描述为状态空间描述以及线性系统在坐标变换下的特性2.4状态方程的对角线规范形、约当规范形2.5组合系统的状态空间描述3线性系统的运动分析（3学时）3.1线性定常系统的运动分析3.2线性定常系统的状态转移矩阵3.3线性时变系统的运动分析4线性系统的能控性和能观性（8学时）4.1线性系统能控性和能观性的定义4.2线性系统的能观测性判据和能控性判据4.3对偶原理4.4线性系统系统的能控规范形和能观测规范形4.5线性系统的结构分解。5系统运动的稳定性（8学时）5.1外部稳定性和内部稳定性5.2李亚普诺夫意义下运动稳定性的基本概念5.3李亚普诺夫第二法主要定理5.4线性系统状态运动稳定性判据6线性反馈系统的时间域综合（8学时）6.1状态反馈和输出反馈6.2状态反馈极点配置6.3状态观测器及其设计五、教学方法及手段教学方法：本课程理论性较强、内容广泛且抽象，课堂教学与课后作业相结合；讲述过程中注意多举例，理论知识讲解与实际控制系统案例分析与设计相结合；一般理论知识介绍与重点例题、综合性习题讨论相结合；培养学生解决综合性问题的能力。教学手段：板书教学、多媒体教学以及网络资源相结合。其中，基本概念、基本定理采用板书教学与多媒体课件相结合的方式；实际控制系统案例分析主要借助多媒体等相关手段进行辅助演示，并利用板书进行设计与计算。六、实验（或）上机内容实验：旋转式倒立摆的状态反馈控制器和状态观测器设计（4学时）根旋转式倒立摆的模型，分析系统的能控性、能观性及稳定性，利用极点配置算法设计状态反馈控制器，利用Matlab进行系统仿真，并进行实际系统调试，根据仿真及实际控制效果总结期望极点位置对系统性能的影响；设计状态观测器，利用Matlab进行对倒立摆系统仿真，分析引入状态观测器对系统性能的影响。（对应教学要求3）七、前续课程、后续课程前续知识点要求：线性代数与解析几何：行列式运算、矩阵计算复变函数与积分变换：拉氏变换自动控制理论：传递函数、系统结构图、闭环系统后续课程：船舶控制系统，控制系统仿真，系统工程导论八、参考教材及学习资源郑大钟.线性系统理论[M].清华大学出版社，2002[2]周武能，童东兵，代安定，石红瑞.线性系统基础理论[M].西安电子科技大学出版社，2014.[3]陆军，王晓陵.线性系统理论[M].哈尔滨工程大学出版社，2006[4]段广仁.线性系统理论[M].哈尔滨工业大学出版社，2004[5]仝茂达.线性系统理论和设计[M].中国科学技术大学出版社，2008[6]王显峰等．自动控制系统实验技术[M]．清华大学出版社，2014九、考核方式教学基本要求项考核形式占总成绩的比例通过学习线性系统状态空间法的基本概念和建模方法，能够将状态空间法应用于多输入多输出复杂系统，建立复杂系统的状态空间描述。闭卷考试10%能够应用线性系统的状态空间分析方法对船舶控制及自动化系统、测控与导航系统、电力与电气传动系统、探测