1、现代控制理论教学大纲一、课程基本信息课程名称现代控制理论Modern Control Theory课程编码CTL122511020开课院部|控制科学与工程学院课程团队控制理论教学团队学分2.0课内学时34讲授1 28实验6上机0实践0课外学时32适用专业自动化授课语言英语先修课程线性代数、高等数学（2-1）、高等数学（2-2）、大学物理（2-1）、电路分析、大学物理（2-2）、模拟电子技术、自动控制原理课程简介（必修）本课程是自动化专业的主要专业基础课之一，是解决多入多出系统的分析和综合问题的重要理论基础，重点介绍线性系统状态空间表 达式的建立、系统性能的基本分析方法、稳定性分析以及综合设计的
2、方法。通过本课程的学习，使学生能够掌握现代控制理论的分析和设 计方法，为以后学习现代控制理论的其它分支打下良好基础，培养学生运用专业知识寻求合理的解决方案的能力以及国际学术交流与沟通 的能力。（对应毕业要求：1.4, 2.1，2.2，10.3）This course is one of the major professional basic courses of automation major, and is an important theoretical basis to solve the analysis and synthesis problems of multiple inp
3、ut and multiple output systems. It focuses on the establishment of state space expressions of linear systems, basic analysis method, stability analysis and comprehensive design method of system performance. Through the study of this course, students can master the analysis and design methods of mode
4、rn control theory, laying a good foundation for learning other branches of modern control theory in the future, to cultivate students ability to use professional knowledge to seek reasonable solutions and international academic exchanges and communication. (Corresponding graduation requirements: 1.4
5、,2.1,2.2,10.3)负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1 ：掌握多入多出系统概念，状态转移矩阵的计算，线性定常齐次方程和非齐次方程的求解，离 散连续时间系统状态方程的解。掌握李雅普诺夫稳定性判据及在闭环系统设计中的应用，理解系统 镇定和观测问题，通过极点配置方法进行线性定常系统的综合。是1.42M2目标2：能够运用高等数学、线性代数和大学物理等知识建立多入多出系统的数学模型，将工程问题 转换为数学问题，并能够进行多种模型的转换，了解各模型的特点和适用场合。是2.23M3目标3 ：能够从控制系统角度对工程问题进行分析，理解控制系统中能
6、控性和能观性问题、对偶问 题，掌握线性系统结构分解方法和传递函数阵的实现问题。是2.14M4目标4 ：能够阅读并理解外文科技文献，较熟练使用外语对外进行沟通和交流。是10.3三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外 学时课外环节1第1章第1章绪论本章重点：现代控制理论的基本概念及特点/21.11.1控制理论的发 展控制理论的发展简史M1,M40.3讲授0自学资料31.21.2控制理论的分 类控制理论的分类M1,M40.5讲授0.5自学资料41.31.3本课程的内容 简介课程内容简介M1,M40.2讲授0.5自学资料5第2章第2章控制系统 的状态空间表达式本章重
7、点：模拟结构图、状态空间表达式的建立方法、状态空 间表达式的线性变换、从状态空间表达式求传递函数/62.12.1系统动态模型 的数学描述外部描述与内部描述、状态空间表达式、状态空间的模拟结构 图M2,M41讲授、讨 论1课后作业72.22.2状态空间表达 式的建立从机理模型、结构图及传递函数建立状态空间表达式M2,M42讲授、讨 论2课后作业82.32.3状态向量的线 性变换状态空间表达式的非唯一性、系统特征值的不变性与系统的不 变量、约旦标准型M2,M41讲授1自学资料92.42.4从状态空间表 达式求传递函数阵SISO及MIMO系统其传递函数，串联、并联及反馈组合系统求 传递函数，传递函数
8、矩阵的不变性M2,M41讲授、讨 论1课后作业10第3章第3章控制系统状 态空间表达式的解本章重点：线性定常齐次状态方程的解、状态转移矩阵计算、 线性定常非齐次方程的解/113.13.1线性定常齐次 状态方程的解标量微分方程的解、n维状态方程的解M1,M40.5讲授0.5自学资料123.23.2矩阵指数函数-状态转移矩阵状态转移矩阵的概念和基本性质、特殊的矩阵指数函数、状态 转移矩阵的计算M1,M41.5讲授1课后作业133.33.3线性定常系统 非齐次方程的解非齐次状态方程解的形式、几种特殊控制作用下非齐次状态方 程的解M1,M41讲授0.5自学资料143.43.4连续时间状态 空间表达式的
9、离散 化离散化方法、近似方法M1,M40.5讲授0.5课后作业153.53.5离散连续时间 系统状态方程的解递推法、z变换法M1,M40.5讲授0.5课后作业16实验1实验1 ：状态空间 表达式求解齐次状态方程求解、非齐次状态方程求解、几种特殊控制作用 下非齐次状态方程的解M12实验2撰写实验 报告17第4章第4章线性控制 系统的能控性和能 观性本章重点：线性定常系统的能控能观性判别、能控标准型与能 观标准型、线性系统的能控能观性分解/184.14.1能控性能控性定义、线性定常系统的能控性判别M3,M42讲授1课后作业194.24.2能观性能观性定义、线性定常系统的能观性判别M3,M41讲授1
10、自学资料204.34.3离散时间系统 的能控性与能观性能控性判别、能观性判别M3,M40.5讲授、讨 论0.5课后作业214.44.4能控性与能观 性的对偶关系对偶系统、对偶原理M3,M40.5讲授、讨 论0.5课后作业224.54.5状态空间表达 式的能控标准型与 能观标准型SISO系统的能控标准型与能观标准型M3,M41讲授1自学资料234.64.6线性系统的结 构分解按能控性分解、按能观性分解、卡尔曼分解M3,M42讲授、讨 论2课后作业244.74.7传递函数阵的 实现问题能控标准型实现、能观标准型实现、最小实现、零极点对消与 能控、能观性的关系M3,M41讲授、讨 论1课后作业25实
11、验2实验2 : MATLAB在 现代控制理论中的 应用能控性判别、能观性判别实验，结构分解实验M32实验2撰写实验 报告26第5章第5章稳定性与 李雅普诺夫方法本章重点：李雅普诺夫稳定性定义、线性定常系统的稳定性、 李雅普诺夫第二法稳定性判据/275.15.1李雅普诺夫关 于稳定性的定义系统的平衡状态、稳定、渐近稳定、一致渐近稳定、大范围渐 近稳定M1,M41讲授1自学资料285.25.2李雅普诺夫第 一法线性定常系统的稳定性、非线性系统的稳定性M1,M41讲授1课后作业295.35.3李雅普诺夫第 二法希尔维斯特判据、稳定判据、渐近稳定判据、不稳定判据M1,M41讲授、讨 论1自学资料305
12、.45.4李雅普诺夫方 法的应用线性定常系统的渐近稳定性、李雅普诺夫方法在非线性系统中 的应用M1,M41讲授、讨 论1课后作业31第6章第6章线性定常 系统的综合本章重点：状态反馈极点配置、观测器极点配置/326.16.1线性反馈控制 系统的基本结构状态反馈与输出反馈、闭环系统的能控能观性M1,M41.5讲授0.5课后作业336.26.2极点配置问题状态反馈极点配置、输出反馈极点配置M1,M42讲授、讨 论2课后作业346.36.3系统镇定问题镇定的概念、条件、镇定的方法M1,M40.5讲授、讨 论0.5自学资料356.46.4状态观测器观测器的存在性、观测器的实现M1,M41讲授、讨 论1
13、课后作业366.56.5利用状态观测 器实现状态反馈的利用观测器实现状态反馈、闭环极点设计的分离性、传递函数 矩阵的不变性、观测器反馈与直接状态反馈的等效性M1,M41讲授、讨 论1课后作业系统37实验3实验3 :系统极点 配置设计状态反馈极点配置、输出反馈极点配置、利用观测器实现状态 反馈实验M12实验2撰写实验 报告四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时表现根据课堂讲述的内容，结合具体案例，参考英文科技文献，使用英语完成作业要求。20%2实验表现提交实验报告，实验设计、数据分析以及结论10%3期末考试闭卷，具体见评分标准70%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1平
14、时表现10%A-能够掌握多入多出系统概念、状态转移矩阵的计算方法，准确求解线性定常齐次方程、非齐次方程和离 散连续时间系统状态方程，根据系统模型的形式，选择恰当的方法准确分析系统的稳定性，能够根据要求 准确设计控制器和观测器。B-能够掌握多入多出系统概念、状态转移矩阵的计算方法，求解线性定常齐次 方程、非齐次方程和离散连续时间系统状态方程求解较为正确，根据系统模型的形式，选择较为恰当的方 法准确分析系统的稳定性，能够根据要求较为准确设计控制器和观测器。C-能够掌握多入多出系统概念、 状态转移矩阵的计算方法，求解线性定常齐次方程、非齐次方程和离散连续时间系统状态方程求解基本正 确，系统稳定性分析
15、基本正确，控制器和观测器设计基本正确。D-不能掌握状态转移矩阵的计算、线性定 常齐次方程和非齐次方程的求解、离散连续时间系统状态方程的解，不能采用合适的方法分析系统的稳定 性，或控制器和观测器设计错误。2M1实验表现10%A-按时提交实验报告，实验设计、数据分析符合规范，结论无误。B-按时提交实验报告，实验设计、数据 分析基本规范，结论基本正确。C-实验设计、数据分析过程存在问题。D-未能获得实验结果。3M1期末考试80%见试卷评分标准4M2平时表现20%A-能够根据系统的运行机理准确建立状态空间表达式模型，通过线性变换准确得到不同形式的状态空间模 型，并能够转换成正确的传递函数矩阵。B-能够
16、根据系统的运行机理准确建立状态空间表达式模型，通过 线性变换得到较为准确的状态空间模型，并能够转换成传递函数矩阵。C-能够根据系统的运行机理准确建 立状态空间表达式模型，通过线性变换得到不同形式的状态空间模型，并能够转换成传递函数矩阵。D-不 能根据系统的运行机理准确建立状态空间表达式模型，得到不同形式的状态空间模型及传递函数矩阵有误。5M2期末考试80%见试卷评分标准6M3平时表现10%A-能够准确判断系统的能控性和能观性，准确计算系统的能控标准型、能观标准型，并进行结构分解和传 递函数阵实现。B-能够准确判断系统的能控性和能观性，准确计算系统的能控标准型、能观标准型。C-基 本掌握系统能控
17、性和能观性的判断方法，能控标准型、能观标准型的计算方法。D-不能掌握系统能控性和 能观性的判断方法，能控标准型、能观标准型的计算方法。7M3实验表现20%A-按时提交实验报告，实验设计、数据分析符合规范，结论无误。B-按时提交实验报告，实验设计、数据 分析基本规范，结论基本正确。C-实验设计、数据分析过程存在问题。D-未能获得实验结果。8M3期末考试70%见试卷评分标准9M4平时表现100%A-能够查阅大量英文相关科技论文，英文作业内容书写流畅、准确。B-能够查阅英文相关科技论文，英文 作业内容书写较为流畅、准确。C-能够查阅英文相关科技论文，能用英文完成作业内容。D-不能够查阅英 文相关科技
18、论文，或不能用英文完成作业内容。评分等级说明：A,B,C,D,E = 90-100,80-89,70-79,60-69,0-59;A,B,C,D = 90-100,75-89,60-74,0-59;A,B,C = 90-100,75-89,60-74,0-59; M,N = 80-100,0-79六、教材与参考资料序号教学参考资料明细1图书I现代控制理论（第三版），刘豹，机械工业出版社，2011.5, ISBN:9787111031031. （*主教材）2图书I现代控制工程（第五版），Katsuhiko Ogata,电子工业出版社，2011.3图书|线性控制系统工程，Morris Driels,清华大学出版社，2011.4图书|自动控制原理与设计（第六版），Gene F. Franklin, J.David Powell, Abbas Emami-Naeini,电子工业出版社，2013.七、实验项目信息序号项目名称实验室名称门牌号组人数学时实验类别要求实验类型上机1状态空间表达式求解计算机控制与仿真实验 室基础实验楼B30312专业必做验证性是2MATLAB在现代控制理论中的应用计算机控制与仿真实验 室基础实验楼B30312专业必做综合性是3系统极点配置设计计算机控制与仿真实验基础实验楼B30312专业必做设计性是
