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现代控制理论

课程代码:SS071001

课程负责人: 陈乃建
共建教师: 陈鑫
课程建设:校级优质课程 开课学院:机械工程学院

开课时间:2020年11月07日 学习人数:13人
有效时间: 永久有效 评分:
课程简介

《现代控制理论》是控制理论的重要组成部分,控制理论是介于许多学科之间的一门科学,反过来又渗透到各个工程领域,它既是一门广义的系统动力学理论,又是一门合乎唯物辩证法的方法论,对于启迪和发展学生的思维与智力有着很大的作用。现代控制理论作为自动控制的基础理论,具有普适性,在机械、电力电气、化工、通讯网络、生物医药和航空航天等一系列对国民经济和国防安全有重大影响的领域都有应用。

本课程的教学目的就是通过学习,学生能够熟练掌握现代控制理论思想、分析方法和技术手段,能够运用所学知识进行系统建模、性能分析和综合设计,能够解决一般工程实际中的控制问题,同时为学生进一步学习现代先进的控制技术和控制理念打下必要的基础。通过本课程的学习,保证学生获取扎实的基础理论,形成良好的知识结构,为后续专业课程的学习打下坚实基础。

本课程是机械学院学术硕士研究生的学位课之一,主要讲述了机电工程领域中控制系统的状态空间分析法,其数学基础是线性代数和矩阵论,研究的是多输入多输出系统、时变系统、非线性系统、离散和(或)数字系统等。通过该课程的学习,学生应了解现代控制理论的发展与应用,掌握其基本概念和基本分析方法,进一步提高对机电控制系统的分析和综合能力。

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教学大纲

《现代控制理论》教学大纲

Modern Control Theory

课程编号:SS071001

开课学期:秋季

学    时:32

学    分:2

开课单位:机械工程学院

一、教学目的与要求:

《现代控制理论》是控制理论的重要组成部分,控制理论是介于许多学科之间的一门科学,反过来又渗透到各个工程领域,它既是一门广义的系统动力学理论,又是一门合乎唯物辩证法的方法论,对于启迪和发展学生的思维与智力有着很大的作用。现代控制理论作为自动控制的基础理论,具有普适性,在机械、电力电气、化工、通讯网络、生物医药和航空航天等一系列对国民经济和国防安全有重大影响的领域都有应用。

本课程的教学目的就是通过学习,学生能够熟练掌握现代控制理论思想、分析方法和技术手段,能够运用所学知识进行系统建模、性能分析和综合设计,能够解决一般工程实际中的控制问题,同时为学生进一步学习现代先进的控制技术和控制理念打下必要的基础。通过本课程的学习,保证学生获取扎实的基础理论,形成良好的知识结构,为后续专业课程的学习打下坚实基础。

本课程是机械学院学术硕士研究生的学位课之一,主要讲述了机电工程领域中控制系统的状态空间分析法,其数学基础是线性代数和矩阵论,研究的是多输入多输出系统、时变系统、非线性系统、离散和(或)数字系统等。通过该课程的学习,学生应了解现代控制理论的发展与应用,掌握其基本概念和基本分析方法,进一步提高对机电控制系统的分析和综合能力。

(一)知识目标

通过本课程的学习,要求学生能从与古典控制理论相对比的角度,从物理概念上懂得现代控制理论的新概念和新方法。掌握系统数学模型建立、求解、能控能观性、稳定性等知识。了解离散和时变系统的基本控制理论。

(二)能力目标

通过本课程的学习,学生应获得如下能力:掌握对控制系统进行数学建模的能力;绘制系统模拟结构图的能力;求解系统状态空间表达式解的能力;判定系统能控性和能观性的能力;判定非线性系统稳定性的能力等。提高学生的自主学习能力、动手能力、独立分析及思考的能力并激发学生的应用创新意识。

(三)素质目标

通过本课程的学习,应注意培养学生利用合适的数学工具进行建模和控制语言进行表达,并进行系统性能分析的素养;掌握用现代控制论知识解决实际问题的方法与手段;具有良好的科学态度和创新合作精神。

二、教学内容、学时分配

(一)绪论(2学时)

1、控制理论的性质

2、控制理论的发展

3、控制理论的应用

(二)控制系统的状态空间描述(6学时)

1、状态变量及状态空间表达式

2、状态空间表达式的建立

3、从状态空间表达式求传递函数阵

4、状态向量线性变换(坐标变换)

(三)系统状态空间表达式的解(6学时)

1、线性定常齐次状态方程的解

2、矩阵指数函数——状态转移矩阵

3、线性定常系统非齐次方程的解

4、线性时变系统的解

5、连续时间状态空间表达式的离散化

(四)线性控制系统能控性和能观性(8学时)

1、能控性的定义

2、线性定常系统的能控性判别

3、线性定常系统的能观性

4、时变系统的能控性和能观性

5、能控性与能观性的对偶关系

6、状态空间表达式的能控标准型与能观标准型

7、线性系统的结构分解

8、传递函数矩阵的实现问题

9、传递函数中零极点对消与状态能控性和能观性之间的关系

(五)稳定性与李雅普诺夫方法(4学时)

1、李雅普诺夫关于稳定性的定义

2、李雅普诺夫第一法

3、李雅普诺夫第二法

4、李雅普诺夫方法在线性系统中的应用

5、李雅普诺夫方法在非线性系统中的应用

(六)线性定常系统的综合(6学时)

1、线性反馈控制系统的基本结构及其特性

2、极点配置与系统镇定问题

3、系统解耦问题

4、状态观测器

5、带状态观测器的状态反馈控制系统的特性

6、渐近跟踪鲁棒调节器

三、教学方式

采用课堂讲授及讨论、课下自学及查阅资料、MATLAB软件分析相结合的教学方式。

四、考核方式 

本课程考核采取闭卷考试方式进行。试卷按教学大纲要求命题,着重考核对本课程的理解和掌握程度及综合运用能力。考试采取百分制,期末闭卷考试成绩占70%,平时成绩30%平时成绩包括作业成绩、小论文成绩课堂表现考勤等。

五、先修课程:

高等数学、线性代数、积分变换、矩阵理论、控制工程基础

六、教材及教学参考资料(教材、推荐书目、推荐期刊文章、学习网站等):

(一)教材

刘豹主编,现代控制理论,机械工业出版社(第三版),2019

(二)推荐书目

[1] 王积伟主编. 现代控制理论与工程. 北京高等教育出版社, 2010.

[2] 谢克明主编. 现代控制理论基础. 北京北京工业大学出版社, 2000.

[3] 方水良主编. 现代控制理论及其MATLAB实践. 浙江:浙江大学出版社, 2006年.

[4] 俞立主编. 现代控制理论. 北京:清华大学出版社, 2007.

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教学团队

课程教学团队以机电工程领域的控制问题为基础,采用经典控制理论与现代控制理论相结合方法,实现从理论到实践、从工程案例到数学模型的统一,达到认识世界与改造世界的有机结合。