《现代控制理论》课程教案

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《现代控制理论》课程教案

课程及任课教师简介：

课程名称：现代控制理论

课程性质：专业基础课

授课对象：机械设计制造及自动化专业

学时：48

教材：《现代控制理论与工程》(第二版)王积伟主编，高等教育出版社

课程教学目标：

《现代控制理论》是机械制造及自动化专业研究生的学位课。本课程的教学应当使学生了解现代控制

理论的体系结构，掌握线性控制系统的状态空间描述、时域分析与离散化等方法，掌握利用状态空间模型

分析系统和校正系统及实现最优控制的方法。

课程教学重点、难点：

本课程的教学重点是：控制系统的状态空间数学模型，系统运动分析，稳定性分析，系统综合和最优

控制等。

本课程的教学难点是：系统综合和最优控制方法。

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第一讲第1章控制系统的状态空间数学模型

一、教学内容

1.1基本概念

1.2线性定常连续系统的状态空间数学模型

二、教学目标

掌握根据物理模型、微分方程、传递函数、传递函数结构图等建立状态空间模型的方法及状态空间模

型的线性变换方法。

三、教学重点

根据微分方程和传递函数及传递函数结构图建立状态空间模型的方法

四、教学难点

根据微分方程建立状态空间模型的方法

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第1章控制系统的状态空间数学模型

1.1基本概念

以板书推证为主，

1.2线性定常连续系统的状态空间数学模型

以PPT演示为辅，

1.2.1根据物理模型建立状态空间模型通过例题讲解具

体应用方法。

1.2.2根据微分方程建立状态空间模型

1.2.3根据传递函数建立状态空间模型

七、作业布置

八、课后小结

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第二讲第1章控制系统的状态空间数学模型（续）

一、教学内容

1.2线性定常连续系统的状态空间数学模型（续）

1.3线性时变连续系统的状态空间数学模型

1.4非线性连续系统的状态空间数学模型

二、教学目标

掌握线性时变连续系统和非线性连续系统的状态空间数学模型的建立方法。

三、教学重点

线性时变连续系统状态空间数学模型

四、教学难点

线性时变连续系统状态空间数学模型

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第1章控制系统的状态空间数学模型（续）

以板书推证为主，

1.2线性定常连续系统的状态空间数学模型（续）

以PPT演示为辅，

1.2.4根据系统的传递函数结构图建立状态空间模型通过例题讲解具

体应用方法。

1.2.5状态空间模型的线性变换

1.3线性时变连续系统的状态空间数学模型

1.4非线性连续系统的状态空间数学模型

1.4.1本质非线性系统的状态空间模型

1.4.2本征非线性系统的状态空间模型

七、作业布置

八、课后小结

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第三讲第1章控制系统的状态空间数学模型（续）

一、教学内容

1.5线性离散系统的状态空间数学模型

1.6MATLAB在建立状态空间模型中的应用

二、教学目标

掌握线性离散系统状态空间数学模型的建立方法。

三、教学重点

线性离散系统状态空间数学模型

四、教学难点

线性离散系统状态空间数学模型

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第1章控制系统的状态空间数学模型（续）

1.5线性离散系统的状态空间数学模型1.以板书推证为

主，以PPT演示为

1.5.1差分方程和脉冲传递函数辅，通过例题讲解

1.5.2根据差分方程建立线性定常离散系统的状态空间模型具体应用方法。

2.在MATLAB平台

1.5.3根据脉冲传递函数建立线性定常离散系统的状态空间模型演示相关内容。

1.5.4线性时变离散系统的状态空间模型

1.6MATLAB在建立状态空间模型中的应用

1.6.1数学模型的MATLAB表示法

1.6.2实现能控规范型的MATLAB编程及计算

七、作业布置教材1.1(2),1.2,1.4,1.6(1)(2),自拟(1),(2),(3),(4)

八、课后小结

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第四讲第2章控制系统的运动分析

一、教学内容

2.1线性定常连续系统的运动分析

二、教学目标

掌握状态转移矩阵的计算方法和受控运动分析方法。

三、教学重点

状态转移矩阵和受控运动分析方法

四、教学难点

状态转移矩阵和受控运动分析方法

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第1章控制系统的状态空间数学模型

2.1线性定常连续系统的运动分析1.以板书推证为

主，以PPT演示为

2.1.1自由运动辅，通过例题讲解

2.1.2状态转移矩阵具体应用方法。

2.在MATLAB平台

2.1.3受控运动分析演示相关内容。

2.1.4．实现线性定常连续系统运动分析的MATLAB编程

七、作业布置

八、课后小结

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第五讲第2章控制系统的运动分析（续）

一、教学内容

2.2线性时变连续系统的运动分析错误！未定义书签。

2.3线性定常离散系统的运动分析

二、教学目标

掌握线性时变连续系统和线性定常离散系统的运动分析方法。

三、教学重点

线性时变连续系统和线性定常离散系统的运动分析

四、教学难点

线性时变连续系统的运动分析

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第2章控制系统的运动分析（续）

2.2线性时变连续系统的运动分析错误！未定义书签。以板书推证为主，

以PPT演示为辅，

2.2.1自由运动及状态转移矩阵

通过例题讲解具

2.2.2受控运动——常数变易法

体应用方法。

2.3线性定常离散系统的运动分析

2.3.1线性定常连续系统的离散化

2.3.2线性定常离散系统的运动分析

七、作业布置

八、课后小结

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第六讲第2章控制系统的运动分析（续）

一、教学内容

2.4线性时变离散系统的运动分析

2.5系统运动分析的MATLAB实现

二、教学目标

掌握线性时变离散系统的运动分析方法。

三、教学重点

线性时变离散系统的运动分析

四、教学难点

线性时变离散系统的运动分析

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPTMATLAB演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第2章控制系统的运动分析（续）

2.4线性时变离散系统的运动分析1.以板书推证为

主，以PPT演示为

2.4.1线性时变连续系统的离散化方程

辅，通过例题讲解

2.4.2线性时变离散系统的运动分析

具体应用方法。

2.5系统运动分析的MATLAB实现2.在MATLAB平台

演示相关内容。

七、作业布置

八、课后小结

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第七讲第3章控制系统的稳定性分析

一、教学内容

3.2李雅普诺夫稳定性基本定理

3.3线性连续系统的稳定性分析

二、教学目标

掌握李雅普诺夫稳定性基本定理和线性连续系统的稳定性分析方法。

三、教学重点

线性连续系统的稳定性分析

四、教学难点

线性连续系统的稳定性分析

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第3章控制系统的稳定性分析

3.1基本概念

1.以板书推证为

3.2李雅普诺夫稳定性基本定理主，以PPT演示为

3.3线性连续系统的稳定性分析辅，通过例题讲解

具体应用方法。

3.3.1线性定常连续系统的稳定性分析及其MATLAB编程与计算2.在MATLAB平台

3.3.2线性时变连续系统的稳定性分析演示相关内容。

七、作业布置

八、课后小结

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第八讲第3章控制系统的稳定性分析（续）

一、教学内容

3.4线性离散系统的稳定性分析

3.5非线性连续系统的稳定性分析

二、教学目标

掌握线性离散系统和非线性连续系统的稳定性分析方法。

三、教学重点

线性离散系统和非线性连续系统的稳定性分析

四、教学难点

非线性连续系统的稳定性分析

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第3章控制系统的稳定性分析（续）

3.4线性离散系统的稳定性分析

1.以板书推证为

3.4.1线性定常离散系统的稳定性分析及其MATLAB编程与计算

主，以PPT演示为

3.4.2线性时变离散系统的稳定性分析

辅，通过例题讲解

3.5非线性连续系统的稳定性分析具体应用方法。

3.5.1雅可比（Jacobian）矩阵法及其MATLAB编程与计算2.在MATLAB平台

3.5.2变量梯度法演示相关内容。

七、作业布置教材3.3,3.4,3.7,3.8;自拟(1),(2),(3)

八、课后小结

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第九讲第4章控制系统的能控性与能观测性

一、教学内容

4.1系统的能控性

二、教学目标

掌握系统能控性的分析方法。

三、教学重点

系统的能控性分析

四、教学难点

系统的能控性分析

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第4章控制系统的能控性与能观测性

4.1系统的能控性

1.以板书推证为

4.1.1线性时变连续系统的能控性错误！未定义书签。

主，以PPT演示为

4.1.2线性定常连续系统的能控性及其MATLAB辅助分析

辅，通过例题讲解

4.1.3线性定常离散系统的能控性

具体应用方法。

2.在MATLAB平台

演示相关内容。

七、作业布置

八、课后小结

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第十讲第4章控制系统的能控性与能观测性（续）

一、教学内容

4.2系统的能观测性

二、教学目标

掌握系统能观测性的分析方法。

三、教学重点

系统的能观测性分析

四、教学难点

系统的能观测性分析

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第4章控制系统的能控性与能观测性（续）

4.2系统的能观测性

4.2.1线性时变连续系统的能观测性1.以板书推证为

4.2.3线性定常离散系统的能观测性主，以PPT演示为

4.3能控与能观测规范型的实现辅，通过例题讲解

4.3.1能控规范型的实现及其MATLAB编程与计算具体应用方法。

4.3.2能观测规范型的实现及其MATLAB编程与计算2.在MATLAB平台

演示相关内容。

七、作业布置

八、课后小结

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第十一讲第4章控制系统的能控性与能观测性（续）

一、教学内容

4.5对偶系统及对偶性原理

4.6线性定常系统能控能观测结构的分解

二、教学目标

掌握对偶性原理和线性定常系统能控能观测结构的分解方法。

三、教学重点

线性定常系统能控能观测结构的分解

四、教学难点

线性定常系统能控能观测结构的分解

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第4章控制系统的能控性与能观测性（续）

4.4线性定常系统能控与能观测性在复域[s]中的判据

4.5对偶系统及对偶性原理1.以板书推证为

4.5.1线性定常对偶系统主，以PPT演示为

4.5.2线性时变对偶系统辅，通过例题讲解

4.6线性定常系统能控能观测结构的分解具体应用方法。

4.6.1能控与不能控结构分解及其MATLAB辅助计算2.在MATLAB平台

4.6.2能观测与不能观测结构分解及其MATLAB辅助计算演示相关内容。

4.6.3能控与能观测性结构综合分解

七、作业布置教材2.1(4),2.2(4),2.4(3),2.5(2),2.7,2.10,2.13;自拟(1),(2),(3)(4)

八、课后小结

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第十二讲第5章线性定常控制系统的综合

一、教学内容

5.1反馈控制系统的基本结构

5.2以实现期望极点为目标的系统综合

二、教学目标

掌握以实现期望极点为目标的系统综合方法

三、教学重点

以实现期望极点为目标的系统综合

四、教学难点

以实现期望极点为目标的系统综合

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第5章线性定常控制系统的综合

5.1反馈控制系统的基本结构

5.1.1状态反馈控制系统1.以板书推证为

5.1.2输出反馈控制系统主，以PPT演示为

5.2以实现期望极点为目标的系统综合辅，通过例题讲解

5.2.1单输入状态反馈控制系统极点配置及其MATLAB辅助计算具体应用方法。

5.2.2多输入状态反馈控制系统的极点配置方法2.在MATLAB平台

5.2.3输出反馈控制系统极点配置及其MATLAB辅助计算演示相关内容。

七、作业布置

八、课后小结

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第十三讲第5章线性定常控制系统的综合（续）

一、教学内容

5.3以实现系统镇定为目标的系统综合

5.4以实现解耦控制为目标的系统综合

二、教学目标

掌握以实现系统镇定和以实现解耦控制为目标的系统综合方法

三、教学重点

以实现系统镇定和以实现解耦控制为目标的系统综合

四、教学难点

以实现系统镇定和以实现解耦控制为目标的系统综合

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第5章线性定常控制系统的综合（续）

5.3以实现系统镇定为目标的系统综合

5.4以实现解耦控制为目标的系统综合1.以板书推证为

5.4.1补偿器解耦主，以PPT演示为

5.4.2状态反馈解耦辅，通过例题讲解

5.4.3实现状态反馈解耦控制的MATLAB编程与计算具体应用方法。

2.在MATLAB平台

演示相关内容。

七、作业布置

八、课后小结

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第十四讲第5章线性定常控制系统的综合（续）

一、教学内容

5.5状态重构控制系统

二、教学目标

掌握带全维状态重构器和降维状态重构器的状态反馈系统的设计方法

三、教学重点

带全维状态重构器和降维状态重构器的状态反馈系统的设计

四、教学难点

带全维状态重构器和降维状态重构器的状态反馈系统的设计

五、教学思路和方法

讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。

六、教学内容和过程：

教学内容教学方法

第5章线性定常控制系统的综合（续）

5.5状态重构控制系统

5.5.1全维状态重构器及其MATLAB辅助设计1.以板书推证为

5.5.2带全维状态重构器的状态反馈系统主，以PPT演示为

5.5.3降维状态重构器及其MATLAB辅助设计辅，通过例题讲解

具体应用方法。

2.在MATLAB平台

演示相关内容。

七、作业布置教材4.1,4.2,4.6,4.7,4.9,4.10(2)；自拟(1),(2),(3),(4)

八、课后小结

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第十五讲第六章最优控制

一、教学内容

６.1泛函及其变分法