《現(xiàn)代控制理論》教學(xué)大綱

《現(xiàn)代控制理論》教學(xué)大綱課程編號：13220324英文名稱：TheoryofModernControl學(xué)分：2.0學(xué)時：總學(xué)時40學(xué)時，其中理論24學(xué)時，實踐16學(xué)時先修課程：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、自動控制原理課程類別：專業(yè)拓展課程授課對象：自動化專業(yè)學(xué)生教學(xué)單位：機械與電氣工程學(xué)院修讀學(xué)期：第6學(xué)期一、課程描述和目標(biāo)本課程是為自動化類專業(yè)的三年級學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)拓展課。是在學(xué)習(xí)經(jīng)典控制理論后對現(xiàn)代控制理論的入門教育?，F(xiàn)代控制理論是對系統(tǒng)的狀態(tài)進行分析和綜合的理論，主要用來解決多輸入-多輸出系統(tǒng)的問題，并利用狀態(tài)空間法來分析和綜合控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)以揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律。本課程教學(xué)任務(wù)主要是使學(xué)生掌握現(xiàn)代控制系統(tǒng)的基本概念，掌握狀態(tài)控制系統(tǒng)的建模、分析與綜合設(shè)計的基本方法，掌握狀態(tài)控制系統(tǒng)的計算機模擬與仿真的基本技能，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計和進一步深造打下必要的理論基礎(chǔ)。本課程擬達到的課程目標(biāo)如下：課程目標(biāo)1：能夠正確理解和掌握現(xiàn)代控制理論的基本概念、基本原理等相關(guān)理論及方法，能夠建立常用線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并能對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進行初步理論分析與計算；課程目標(biāo)2：能夠掌握控制系統(tǒng)狀態(tài)空間法、控制系統(tǒng)的能控性和能觀測性判據(jù)、李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性定義，并運用計算機專業(yè)軟件對控制系統(tǒng)進行數(shù)值模擬和仿真，合理解釋實驗現(xiàn)象，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。課程目標(biāo)3：能夠追蹤現(xiàn)代控制理論的前沿科學(xué)研究，具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，具備終身學(xué)習(xí)的知識基礎(chǔ)和自主學(xué)習(xí)的方法。二、課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)支撐強度1.3能夠?qū)⒎e分變換、最優(yōu)化理論等相關(guān)知識和數(shù)學(xué)模型方法用于推演、分析自動化相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)工程問題。課程目標(biāo)1M4.4能夠運用統(tǒng)計分析、時頻域分析或其他相關(guān)方法，對實驗結(jié)果進行分析，合理解釋實驗現(xiàn)象，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。課程目標(biāo)2H12.1了解自動化相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)，認(rèn)識到自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的必要性。課程目標(biāo)3L三、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1．理論教學(xué)內(nèi)容序號教學(xué)內(nèi)容基本要求及重、難點（含德育要求）學(xué)時教學(xué)方式對應(yīng)課程目標(biāo)1緒論自動控制理論發(fā)展簡史；經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論特點；本課程的目的和要求。基本要求：重點領(lǐng)會現(xiàn)代控制理論的方法論特點。重點難點：解現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)分析方法以及與傳統(tǒng)控制理論的區(qū)別德育要求：社會責(zé)任2集中講授、討論課程目標(biāo)1課程目標(biāo)32控制系統(tǒng)的空間表達式系統(tǒng)的狀態(tài)和狀態(tài)變量，狀態(tài)向量和狀態(tài)空間，系統(tǒng)的狀態(tài)模型，狀態(tài)模型的非唯一性；根據(jù)系統(tǒng)機理建立狀態(tài)模型舉例。線性多變量定常系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時變系統(tǒng)的狀態(tài)模型的表達式；根據(jù)系統(tǒng)的輸人、輸出模型建立狀態(tài)模型——實現(xiàn)問題；能控標(biāo)準(zhǔn)型、能觀標(biāo)準(zhǔn)型、約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型狀態(tài)模型；根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)模型求傳遞矩陣?；疽螅豪斫鉅顟B(tài)變量的定義，能根據(jù)機理法列寫系統(tǒng)的狀態(tài)模型，熟練掌握根據(jù)系統(tǒng)的傳遞矩陣建立狀態(tài)模型（能控標(biāo)準(zhǔn)型、能觀標(biāo)準(zhǔn)型、約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型），和根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)模型求傳遞矩陣的方法。重點難點：狀態(tài)空間表達式的建立，線性變換的基本性質(zhì)，傳遞函數(shù)矩陣的定義。德育要求：工匠精神6集中講授、討論課程目標(biāo)1課程目標(biāo)23控制系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式的解線性定常系統(tǒng)齊次狀態(tài)方程的解；狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣及其基本性質(zhì)；矩陣指數(shù)的計算方法；線性定常系統(tǒng)非齊次狀態(tài)方程的解?；疽螅豪斫鉅顟B(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的物理意義，熟記線性定常系統(tǒng)齊次狀態(tài)方程的解、非齊次狀態(tài)方程的解的表達式，掌握用凱利-哈密爾頓定理求矩陣指數(shù)的方法。重點難點：狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和狀態(tài)方程的求解。德育要求：實踐創(chuàng)新4集中講授、討論課程目標(biāo)1課程目標(biāo)24線性控制系統(tǒng)的能控性和能觀性系統(tǒng)狀態(tài)能控性與能觀性問題的提出。狀態(tài)能控性定義。狀態(tài)能觀性定義、線性定常系統(tǒng)的能控性、能觀性判別準(zhǔn)則?；疽螅赫_理解狀態(tài)能控性和能觀性定義，熟練運用準(zhǔn)則判別線性定常系統(tǒng)的能控性、能觀性的方法。重點難點：可控、可觀的含義和定義，定常系統(tǒng)可控、可觀的各種判據(jù)，線性變換的不變性。德育要求：團隊協(xié)作4集中講授、討論課程目標(biāo)1課程目標(biāo)25穩(wěn)定性與李雅普諾夫方法李亞普諾夫關(guān)于穩(wěn)定性的定義。判斷穩(wěn)定性的李亞普諾夫方法。李亞普諾夫第一法（間接法）和李亞普諾夫第二法（直接法）的幾個定理。線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析?；疽螅荷羁汤斫饫顏喥罩Z夫穩(wěn)定性的定義。掌握用李亞普諾夫第一法和第二法分析線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性。重點難點：李雅普諾夫第一、第二法的主要定義與定理，李雅普諾夫函數(shù)，線性定常系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)穩(wěn)寫性定理與判別，李雅普諾夫方程，漸近穩(wěn)定性的分析與判別。德育要求：勤奮求實4集中講授、討論課程目標(biāo)1課程目標(biāo)26線性定常系統(tǒng)的綜合狀態(tài)反饋、輸出反饋與極點配置及其與閉環(huán)系統(tǒng)能控性、能觀性的聯(lián)系。解耦控制的定義、應(yīng)用背景，狀態(tài)反饋解耦的設(shè)計。狀態(tài)重構(gòu)原理、全維狀態(tài)觀測器、降維狀態(tài)觀測器的設(shè)計基本要求：理解狀態(tài)反饋、輸出反饋的定義。掌握狀態(tài)反饋、輸出反饋的極點配置方法。重點難點：狀態(tài)反饋與輸出反饋的基本結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和有關(guān)定理，單輸入、單輸出系統(tǒng)極點配置，狀態(tài)反饋與觀測器的工程應(yīng)用。德育要求：敬業(yè)精神4集中講授、討論課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2合計242．實驗教學(xué)內(nèi)容序號實驗項目實驗內(nèi)容與要求學(xué)時類型對應(yīng)課程目標(biāo)1線性定常系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的MATLAB實現(xiàn)掌握控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型。要求：必修4演示課程目標(biāo)1課程目標(biāo)22線性定常連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)能控性、能觀測性及其MATLAB輔助分析掌握控制系統(tǒng)的能控性與能觀測性判據(jù)。要求：必修4驗證課程目標(biāo)1課程目標(biāo)23線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及其MATLAB編程與計算掌握李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性、連續(xù)狀態(tài)空間表達式的離散化方法要求：必修4驗證課程目標(biāo)1課程目標(biāo)24輸出反饋控制系統(tǒng)極點配置及其MATLAB輔助計算掌握線性定常系統(tǒng)的綜合方法要求：必修4設(shè)計課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2合計16注：實驗要求包括必修、選修；實驗類型包括演示、驗證、綜合、設(shè)計等。四、課程教學(xué)方法1.總體設(shè)計以課程目標(biāo)為導(dǎo)向，以興趣激發(fā)為重點，以實踐、作業(yè)為載體，課內(nèi)與課外融通、講授與自學(xué)結(jié)合。課堂教學(xué)方法：集中授課為主，討論為輔。實驗教學(xué)方法：集中指導(dǎo)、個別答疑。課外學(xué)習(xí)方法：預(yù)習(xí)教材相關(guān)章節(jié)，追蹤控制理論研究前沿，鞏固教學(xué)內(nèi)容。2.課堂教學(xué)課堂講授：課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，按知識模塊，通過問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和討論，不斷強化控制理論思維。在講授、討論中，引導(dǎo)學(xué)生掌握現(xiàn)代控制理論的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、分析和求解基本方法。課內(nèi)討論：圍繞預(yù)習(xí)內(nèi)容、作業(yè)問題、小組匯報，引導(dǎo)學(xué)生進行優(yōu)化、完善和補充。3.實驗教學(xué)在課外學(xué)習(xí)和作業(yè)實施的基礎(chǔ)上，通過規(guī)定的任務(wù)和集中實驗，在掌握有關(guān)知識點的前提之下，完成現(xiàn)代控制理論方法的演示、驗證與設(shè)計。4.課外學(xué)習(xí)課前預(yù)習(xí)：要求學(xué)生在課前按預(yù)習(xí)計劃完成自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，即自學(xué)教材相關(guān)章節(jié)，觀看課程網(wǎng)站上教學(xué)視頻。課后作業(yè)：要求學(xué)生按時完成課后作業(yè)。項目設(shè)計：要求學(xué)生以小組為單位追蹤現(xiàn)代控制理論技術(shù)的研究前沿，并進行課堂匯報。五、學(xué)業(yè)評價和課程考核（一）考核方式及具體要求1.課程成績構(gòu)成與要求課程考核注重形成性和終結(jié)性評價相結(jié)合，考核內(nèi)容主要由平時作業(yè)、小組匯報、上機實驗、期末考核組成，均按百分制計分，其中期末考核成績占50%、平時作業(yè)成績占20%、小組匯報成績占10%、上機實驗成績占20%。2.課程目標(biāo)達成考核與評價序號考核方式課程目標(biāo)1（分值）課程目標(biāo)2（分值）課程目標(biāo)3（分值）合計1平時作業(yè)5105202小組匯報0010103上機實驗10100204期末考試1530550課程目標(biāo)對應(yīng)分值305020100（二）考核與評價標(biāo)準(zhǔn)1.平時成績考核與評價標(biāo)準(zhǔn)分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分平時作業(yè)按時完成，學(xué)習(xí)態(tài)度很認(rèn)真，完全掌握現(xiàn)代控制理論的概念、原理和計算方法，計算正確，解答答案正確或合理，字跡工整，完成質(zhì)量高。按時完成，學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真，較好掌握現(xiàn)代控制理論的概念、原理和計算方法，計算基本正確，解答答案基本正確或合理，字跡工整，完成質(zhì)量較高。延時完成，學(xué)習(xí)態(tài)度一般，基本掌握現(xiàn)代控制理論的概念、原理和計算方法，計算、解答答案錯誤較多，字跡基本工整，完成質(zhì)量尚可。不交和補交，學(xué)習(xí)態(tài)度很不認(rèn)真，沒有掌握現(xiàn)代控制理論的概念、原理和計算方法，計算、解答答案錯誤較多或者不答，字跡潦草，完成質(zhì)量差，或有抄襲行為。2.小組匯報與評價標(biāo)準(zhǔn)分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分小組匯報匯報內(nèi)容具有前沿性，追蹤了現(xiàn)代控制理論的最新研究成果，匯報思路清晰、表達清楚、講解準(zhǔn)確、邏輯性高、PPT制作美觀，匯報質(zhì)量高。匯報內(nèi)容具有較好前沿性，追蹤了現(xiàn)代控制理論的近幾年研究成果，匯報思路基本清晰、表達基本合理、講解基本準(zhǔn)確、PPT制作較好，匯報質(zhì)量較高。匯報內(nèi)容前沿性一般，沒有追蹤現(xiàn)代控制理論的最新成果，匯報思路一般、講解不夠深刻，PPT制作一般，匯報質(zhì)量尚可。匯報態(tài)度很不認(rèn)真，匯報過程中存在明顯錯誤，PPT完成質(zhì)量差。3.實驗考核與評價標(biāo)準(zhǔn)分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分實驗考核能夠掌握控制系統(tǒng)狀態(tài)空間法、控制系統(tǒng)的能控性和能觀測性判據(jù)、李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性定義，并運用計算機專業(yè)軟件對控制系統(tǒng)進行數(shù)值模擬和仿真，合理解釋實驗現(xiàn)象，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。編程思路清晰，符合實驗內(nèi)容要求。設(shè)計報告版面整潔、內(nèi)容完整，程序流程圖規(guī)范，問題剖析深刻。較好掌握控制系統(tǒng)狀態(tài)空間法、控制系統(tǒng)的能控性和能觀測性判據(jù)、李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性定義，并運用計算機專業(yè)軟件對控制系統(tǒng)進行數(shù)值模擬和仿真。編程思路基本清晰，符合實驗內(nèi)容要求。設(shè)計報告版面整潔度、內(nèi)容完整性一般，程序流程圖規(guī)范性一般，問題剖析不夠深刻。能夠基本掌握控制系統(tǒng)狀態(tài)空間法、控制系統(tǒng)的能控性和能觀測性判據(jù)、李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性定義，并運用計算機專業(yè)軟件對控制系統(tǒng)進行數(shù)值模擬和仿真。程序設(shè)計基本規(guī)范，編程思路不夠清晰，基本符合實驗內(nèi)容要求。設(shè)計報告版面基本整潔、內(nèi)容基本完整，程序流程圖基本規(guī)范，問題剖析簡單。沒有掌握控制系統(tǒng)狀態(tài)空間法、控制系統(tǒng)的能控性和能觀測性判據(jù)、李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性定義，并運用計算機專業(yè)軟件對控制系統(tǒng)進行數(shù)值模擬和仿真。程序設(shè)計規(guī)范性較差，編程思路混亂，不符合實驗內(nèi)容要求。設(shè)計報告版面混亂、內(nèi)容不完整，程序流程圖不規(guī)范，無問題剖析。4.期末