《現代控制理論》課程教案

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《現代控制理論》課程教案

課程及任課教師簡介：

課程名稱：現代控制理論

課程性質：專業(yè)基礎課

授課對象：機械設計制造及自動化專業(yè)

學時：48

教材：《現代控制理論與工程》(第二版)王積偉主編，高等教育出版社

課程教學目標：

《現代控制理論》是機械制造及自動化專業(yè)研究生的學位課。本課程的教學應當使學生了解現代控制

理論的體系結構，掌握線性控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、時域分析與離散化等方法，掌握利用狀態(tài)空間模型

分析系統(tǒng)和校正系統(tǒng)及實現最優(yōu)控制的方法。

課程教學重點、難點：

本課程的教學重點是：控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型，系統(tǒng)運動分析，穩(wěn)定性分析，系統(tǒng)綜合和最優(yōu)

控制等。

本課程的教學難點是：系統(tǒng)綜合和最優(yōu)控制方法。

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第一講第1章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型

一、教學內容

1.1基本概念

1.2線性定常連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型

二、教學目標

掌握根據物理模型、微分方程、傳遞函數、傳遞函數結構圖等建立狀態(tài)空間模型的方法及狀態(tài)空間模

型的線性變換方法。

三、教學重點

根據微分方程和傳遞函數及傳遞函數結構圖建立狀態(tài)空間模型的方法

四、教學難點

根據微分方程建立狀態(tài)空間模型的方法

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第1章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型

1.1基本概念

以板書推證為主，

1.2線性定常連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型

以PPT演示為輔，

1.2.1根據物理模型建立狀態(tài)空間模型通過例題講解具

體應用方法。

1.2.2根據微分方程建立狀態(tài)空間模型

1.2.3根據傳遞函數建立狀態(tài)空間模型

七、作業(yè)布置

八、課后小結

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第二講第1章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型（續(xù)）

一、教學內容

1.2線性定常連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型（續(xù)）

1.3線性時變連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型

1.4非線性連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型

二、教學目標

掌握線性時變連續(xù)系統(tǒng)和非線性連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型的建立方法。

三、教學重點

線性時變連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)空間數學模型

四、教學難點

線性時變連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)空間數學模型

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第1章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型（續(xù)）

以板書推證為主，

1.2線性定常連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型（續(xù)）

以PPT演示為輔，

1.2.4根據系統(tǒng)的傳遞函數結構圖建立狀態(tài)空間模型通過例題講解具

體應用方法。

1.2.5狀態(tài)空間模型的線性變換

1.3線性時變連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型

1.4非線性連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型

1.4.1本質非線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型

1.4.2本征非線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型

七、作業(yè)布置

八、課后小結

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第三講第1章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型（續(xù)）

一、教學內容

1.5線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型

1.6MATLAB在建立狀態(tài)空間模型中的應用

二、教學目標

掌握線性離散系統(tǒng)狀態(tài)空間數學模型的建立方法。

三、教學重點

線性離散系統(tǒng)狀態(tài)空間數學模型

四、教學難點

線性離散系統(tǒng)狀態(tài)空間數學模型

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第1章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型（續(xù)）

1.5線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型1.以板書推證為

主，以PPT演示為

1.5.1差分方程和脈沖傳遞函數輔，通過例題講解

1.5.2根據差分方程建立線性定常離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型具體應用方法。

2.在MATLAB平臺

1.5.3根據脈沖傳遞函數建立線性定常離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型演示相關內容。

1.5.4線性時變離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型

1.6MATLAB在建立狀態(tài)空間模型中的應用

1.6.1數學模型的MATLAB表示法

1.6.2實現能控規(guī)范型的MATLAB編程及計算

七、作業(yè)布置教材1.1(2),1.2,1.4,1.6(1)(2),自擬(1),(2),(3),(4)

八、課后小結

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第四講第2章控制系統(tǒng)的運動分析

一、教學內容

2.1線性定常連續(xù)系統(tǒng)的運動分析

二、教學目標

掌握狀態(tài)轉移矩陣的計算方法和受控運動分析方法。

三、教學重點

狀態(tài)轉移矩陣和受控運動分析方法

四、教學難點

狀態(tài)轉移矩陣和受控運動分析方法

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第1章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間數學模型

2.1線性定常連續(xù)系統(tǒng)的運動分析1.以板書推證為

主，以PPT演示為

2.1.1自由運動輔，通過例題講解

2.1.2狀態(tài)轉移矩陣具體應用方法。

2.在MATLAB平臺

2.1.3受控運動分析演示相關內容。

2.1.4．實現線性定常連續(xù)系統(tǒng)運動分析的MATLAB編程

七、作業(yè)布置

八、課后小結

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第五講第2章控制系統(tǒng)的運動分析（續(xù)）

一、教學內容

2.2線性時變連續(xù)系統(tǒng)的運動分析錯誤！未定義書簽。

2.3線性定常離散系統(tǒng)的運動分析

二、教學目標

掌握線性時變連續(xù)系統(tǒng)和線性定常離散系統(tǒng)的運動分析方法。

三、教學重點

線性時變連續(xù)系統(tǒng)和線性定常離散系統(tǒng)的運動分析

四、教學難點

線性時變連續(xù)系統(tǒng)的運動分析

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第2章控制系統(tǒng)的運動分析（續(xù)）

2.2線性時變連續(xù)系統(tǒng)的運動分析錯誤！未定義書簽。以板書推證為主，

以PPT演示為輔，

2.2.1自由運動及狀態(tài)轉移矩陣

通過例題講解具

2.2.2受控運動——常數變易法

體應用方法。

2.3線性定常離散系統(tǒng)的運動分析

2.3.1線性定常連續(xù)系統(tǒng)的離散化

2.3.2線性定常離散系統(tǒng)的運動分析

七、作業(yè)布置

八、課后小結

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第六講第2章控制系統(tǒng)的運動分析（續(xù)）

一、教學內容

2.4線性時變離散系統(tǒng)的運動分析

2.5系統(tǒng)運動分析的MATLAB實現

二、教學目標

掌握線性時變離散系統(tǒng)的運動分析方法。

三、教學重點

線性時變離散系統(tǒng)的運動分析

四、教學難點

線性時變離散系統(tǒng)的運動分析

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPTMATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第2章控制系統(tǒng)的運動分析（續(xù)）

2.4線性時變離散系統(tǒng)的運動分析1.以板書推證為

主，以PPT演示為

2.4.1線性時變連續(xù)系統(tǒng)的離散化方程

輔，通過例題講解

2.4.2線性時變離散系統(tǒng)的運動分析

具體應用方法。

2.5系統(tǒng)運動分析的MATLAB實現2.在MATLAB平臺

演示相關內容。

七、作業(yè)布置

八、課后小結

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第七講第3章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

一、教學內容

3.2李雅普諾夫穩(wěn)定性基本定理

3.3線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

二、教學目標

掌握李雅普諾夫穩(wěn)定性基本定理和線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法。

三、教學重點

線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

四、教學難點

線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第3章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

3.1基本概念

1.以板書推證為

3.2李雅普諾夫穩(wěn)定性基本定理主，以PPT演示為

3.3線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析輔，通過例題講解

具體應用方法。

3.3.1線性定常連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及其MATLAB編程與計算2.在MATLAB平臺

3.3.2線性時變連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析演示相關內容。

七、作業(yè)布置

八、課后小結

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第八講第3章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析（續(xù)）

一、教學內容

3.4線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

3.5非線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

二、教學目標

掌握線性離散系統(tǒng)和非線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法。

三、教學重點

線性離散系統(tǒng)和非線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

四、教學難點

非線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第3章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析（續(xù)）

3.4線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

1.以板書推證為

3.4.1線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及其MATLAB編程與計算

主，以PPT演示為

3.4.2線性時變離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

輔，通過例題講解

3.5非線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析具體應用方法。

3.5.1雅可比（Jacobian）矩陣法及其MATLAB編程與計算2.在MATLAB平臺

3.5.2變量梯度法演示相關內容。

七、作業(yè)布置教材3.3,3.4,3.7,3.8;自擬(1),(2),(3)

八、課后小結

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第九講第4章控制系統(tǒng)的能控性與能觀測性

一、教學內容

4.1系統(tǒng)的能控性

二、教學目標

掌握系統(tǒng)能控性的分析方法。

三、教學重點

系統(tǒng)的能控性分析

四、教學難點

系統(tǒng)的能控性分析

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第4章控制系統(tǒng)的能控性與能觀測性

4.1系統(tǒng)的能控性

1.以板書推證為

4.1.1線性時變連續(xù)系統(tǒng)的能控性錯誤！未定義書簽。

主，以PPT演示為

4.1.2線性定常連續(xù)系統(tǒng)的能控性及其MATLAB輔助分析

輔，通過例題講解

4.1.3線性定常離散系統(tǒng)的能控性

具體應用方法。

2.在MATLAB平臺

演示相關內容。

七、作業(yè)布置

八、課后小結

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第十講第4章控制系統(tǒng)的能控性與能觀測性（續(xù)）

一、教學內容

4.2系統(tǒng)的能觀測性

二、教學目標

掌握系統(tǒng)能觀測性的分析方法。

三、教學重點

系統(tǒng)的能觀測性分析

四、教學難點

系統(tǒng)的能觀測性分析

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第4章控制系統(tǒng)的能控性與能觀測性（續(xù)）

4.2系統(tǒng)的能觀測性

4.2.1線性時變連續(xù)系統(tǒng)的能觀測性1.以板書推證為

4.2.3線性定常離散系統(tǒng)的能觀測性主，以PPT演示為

4.3能控與能觀測規(guī)范型的實現輔，通過例題講解

4.3.1能控規(guī)范型的實現及其MATLAB編程與計算具體應用方法。

4.3.2能觀測規(guī)范型的實現及其MATLAB編程與計算2.在MATLAB平臺

演示相關內容。

七、作業(yè)布置

八、課后小結

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第十一講第4章控制系統(tǒng)的能控性與能觀測性（續(xù)）

一、教學內容

4.5對偶系統(tǒng)及對偶性原理

4.6線性定常系統(tǒng)能控能觀測結構的分解

二、教學目標

掌握對偶性原理和線性定常系統(tǒng)能控能觀測結構的分解方法。

三、教學重點

線性定常系統(tǒng)能控能觀測結構的分解

四、教學難點

線性定常系統(tǒng)能控能觀測結構的分解

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第4章控制系統(tǒng)的能控性與能觀測性（續(xù)）

4.4線性定常系統(tǒng)能控與能觀測性在復域[s]中的判據

4.5對偶系統(tǒng)及對偶性原理1.以板書推證為

4.5.1線性定常對偶系統(tǒng)主，以PPT演示為

4.5.2線性時變對偶系統(tǒng)輔，通過例題講解

4.6線性定常系統(tǒng)能控能觀測結構的分解具體應用方法。

4.6.1能控與不能控結構分解及其MATLAB輔助計算2.在MATLAB平臺

4.6.2能觀測與不能觀測結構分解及其MATLAB輔助計算演示相關內容。

4.6.3能控與能觀測性結構綜合分解

七、作業(yè)布置教材2.1(4),2.2(4),2.4(3),2.5(2),2.7,2.10,2.13;自擬(1),(2),(3)(4)

八、課后小結

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第十二講第5章線性定?？刂葡到y(tǒng)的綜合

一、教學內容

5.1反饋控制系統(tǒng)的基本結構

5.2以實現期望極點為目標的系統(tǒng)綜合

二、教學目標

掌握以實現期望極點為目標的系統(tǒng)綜合方法

三、教學重點

以實現期望極點為目標的系統(tǒng)綜合

四、教學難點

以實現期望極點為目標的系統(tǒng)綜合

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第5章線性定常控制系統(tǒng)的綜合

5.1反饋控制系統(tǒng)的基本結構

5.1.1狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)1.以板書推證為

5.1.2輸出反饋控制系統(tǒng)主，以PPT演示為

5.2以實現期望極點為目標的系統(tǒng)綜合輔，通過例題講解

5.2.1單輸入狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)極點配置及其MATLAB輔助計算具體應用方法。

5.2.2多輸入狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的極點配置方法2.在MATLAB平臺

5.2.3輸出反饋控制系統(tǒng)極點配置及其MATLAB輔助計算演示相關內容。

七、作業(yè)布置

八、課后小結

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第十三講第5章線性定?？刂葡到y(tǒng)的綜合（續(xù)）

一、教學內容

5.3以實現系統(tǒng)鎮(zhèn)定為目標的系統(tǒng)綜合

5.4以實現解耦控制為目標的系統(tǒng)綜合

二、教學目標

掌握以實現系統(tǒng)鎮(zhèn)定和以實現解耦控制為目標的系統(tǒng)綜合方法

三、教學重點

以實現系統(tǒng)鎮(zhèn)定和以實現解耦控制為目標的系統(tǒng)綜合

四、教學難點

以實現系統(tǒng)鎮(zhèn)定和以實現解耦控制為目標的系統(tǒng)綜合

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第5章線性定常控制系統(tǒng)的綜合（續(xù)）

5.3以實現系統(tǒng)鎮(zhèn)定為目標的系統(tǒng)綜合

5.4以實現解耦控制為目標的系統(tǒng)綜合1.以板書推證為

5.4.1補償器解耦主，以PPT演示為

5.4.2狀態(tài)反饋解耦輔，通過例題講解

5.4.3實現狀態(tài)反饋解耦控制的MATLAB編程與計算具體應用方法。

2.在MATLAB平臺

演示相關內容。

七、作業(yè)布置

八、課后小結

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第十四講第5章線性定常控制系統(tǒng)的綜合（續(xù)）

一、教學內容

5.5狀態(tài)重構控制系統(tǒng)

二、教學目標

掌握帶全維狀態(tài)重構器和降維狀態(tài)重構器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)的設計方法

三、教學重點

帶全維狀態(tài)重構器和降維狀態(tài)重構器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)的設計

四、教學難點

帶全維狀態(tài)重構器和降維狀態(tài)重構器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)的設計

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第5章線性定?？刂葡到y(tǒng)的綜合（續(xù)）

5.5狀態(tài)重構控制系統(tǒng)

5.5.1全維狀態(tài)重構器及其MATLAB輔助設計1.以板書推證為

5.5.2帶全維狀態(tài)重構器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)主，以PPT演示為

5.5.3降維狀態(tài)重構器及其MATLAB輔助設計輔，通過例題講解

具體應用方法。

2.在MATLAB平臺

演示相關內容。

七、作業(yè)布置教材4.1,4.2,4.6,4.7,4.9,4.10(2)；自擬(1),(2),(3),(4)

八、課后小結

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第十五講第六章最優(yōu)控制

一、教學內容

６.1泛函及其變分法