《现代控制理论》教学大纲

一、教案概述1.1 课程背景《现代控制理论》是自动化、电气工程及其相关专业的一门重要专业课程。

通过本课程的学习，使学生掌握自动控制系统的基本概念、基本原理和基本方法，培养学生分析和解决自动控制问题的能力。

1.2 教学目标（1）理解自动控制系统的数学模型，包括连续系统和离散系统；（2）掌握线性系统的时域分析法、频域分析法；（3）熟悉系统的稳定性、线性度、精确度等性能指标；（4）学会设计PID控制器、状态反馈控制器等；（5）培养学生运用现代控制理论分析和解决实际问题的能力。

二、教学内容2.1 自动控制系统的基本概念（1）自动控制系统的定义；（2）自动控制系统的类型；（3）自动控制系统的性能指标。

2.2 自动控制系统的数学模型（1）连续系统的数学模型；（2）离散系统的数学模型。

2.3 线性系统的时域分析法（1）系统的稳定性；（2）系统的线性度；（3）系统的精确度。

2.4 线性系统的频域分析法（1）系统的幅频特性；（2）系统的相频特性；（3）系统的裕度。

2.5 控制器的设计方法（1）PID控制器的设计；（2）状态反馈控制器的设计。

三、教学方法3.1 课堂讲授通过讲解、案例分析等方式，使学生掌握自动控制系统的相关理论知识。

3.2 实验教学通过自动控制实验，使学生了解和掌握自动控制系统的实际运行情况，提高学生分析和解决实际问题的能力。

3.3 讨论与交流组织学生进行小组讨论，分享学习心得，互相答疑解惑。

四、教学评价4.1 平时成绩包括课堂表现、作业完成情况、实验报告等。

4.2 期末考试包括选择题、填空题、计算题、简答题等，全面测试学生对课程知识的掌握程度。

五、教学资源5.1 教材《现代控制理论》，作者：张发展战略、李翠莲。

5.2 辅助教材《现代控制理论教程》，作者：王庆伟。

5.3 实验设备自动控制实验装置、示波器、信号发生器等。

5.4 网络资源相关在线课程、学术文章、论坛讨论等。

六、教学安排6.1 课时安排本课程共计32课时，包括16次课堂讲授，8次实验教学，8次讨论与交流。

《现代控制理论》教案大纲第一章：现代控制理论概述1.1 控制理论的发展历程1.2 现代控制理论的基本概念1.3 现代控制理论的应用领域1.4 本章小结第二章：线性系统的状态空间表示2.1 状态空间的概念2.2 线性系统的状态空间表示2.3 状态方程和输出方程2.4 本章小结第三章：线性系统的稳定性分析3.1 系统稳定性的概念3.2 线性系统的稳定性条件3.3 劳斯-赫尔维茨稳定判据3.4 奈奎斯特稳定判据3.5 本章小结第四章：线性系统的控制器设计4.1 控制器设计的目标4.2 比例积分微分控制器（PID控制器）4.3 状态反馈控制器4.4 观测器设计4.5 本章小结第五章：非线性系统的控制5.1 非线性系统的基本概念5.2 非线性系统的状态空间表示5.3 非线性系统的稳定性分析5.4 非线性控制器设计方法5.5 本章小结第六章：采样控制系统6.1 采样控制理论的基本概念6.2 采样控制系统的数学模型6.3 采样控制系统的稳定性分析6.4 采样控制系统的控制器设计6.5 本章小结第七章：数字控制系统7.1 数字控制系统的组成与特点7.2 数字控制器的原理与设计7.3 数字控制系统的稳定性分析7.4 数字控制系统的仿真与实现7.5 本章小结第八章：现代控制方法8.1 模糊控制理论8.2 自适应控制理论8.3 神经网络控制理论8.4 智能控制理论8.5 本章小结第九章：现代控制理论在工程应用中的实例分析9.1 工业控制系统中的应用9.2 航空航天领域的应用9.3 交通运输领域的应用9.4 生物医学领域的应用9.5 本章小结第十章：现代控制理论的发展趋势与展望10.1 控制理论研究的新领域10.2 控制理论在新技术中的应用10.3 控制理论的发展前景10.4 本章小结重点和难点解析一、现代控制理论概述难点解析：理解控制理论的演变过程，掌握现代控制理论的核心思想。

二、线性系统的状态空间表示难点解析：理解状态空间的物理意义，熟练运用状态空间表示线性系统。

《现代控制理论》课程教学大纲一、课程基本信息1、课程代码：AU3022、课程名称（中/英文）：现代控制理论（Modern Control System）3、学时/学分：54学时/3学分4、先修课程：自动控制理论5、面向对象：自动化专业本科生，相邻专业研究生6、开课院（系）、教研室：自动化系7、教材、教学参考书：教材：现代控制理论刘豹机械工业出版社2000教学参考书：Linear System Theory and Design Chi-Tsong Chen Oxford university press 1999二、本课程的性质和任务现代控制理论是自动化专业的高年级本科生的必修课程，课程包括了现代控制理论中的基础理论部分，主要内容为线性系统理论基础内容。

课程首先介绍了控制理论的发展概况和应用概况，说明了线性系统的特性，然后深入讲解系统的状态空间描述，状态空间表达式的求解，线性控制系统的能控性和能观性、系统的稳定性和李雅普诺夫方法、线性定常系统的综合，最优控制问题的概述和线性定常二次型最优控制问题。

通过本课程的学习，学生可以掌握线性系统的基本分析和设计方法，为学生学习后继课程、从事工程技术工作、科学研究及开拓性技术工作打下坚实的基础。

三、本课程教学内容和基本要求《现代控制理论》现代控制理论的教学内容分为七部分，对不同的内容提出不同的教学要求。

(数字表示供参考的相应的学时数)第一章概论(1)控制理论的发展、现代控制理论的特点及举例、线性系统的特点(1)要求：掌握现代控制理论与经典控制理论的不同点和线性系统的特点。

第二章控制系统的状态空间表达式（7）1．状态变量及状态空间表达式、状态空间表达式的模拟结构图（2）2．状态空间表达式的建立（一）（1）3．状态空间表达式的建立（二）（1）4．状态向量的线性变换（1）5．由状态空间表达式求传递函数阵、时变系统和非线性系统的状态空间表达式（2）要求：熟练掌握系统状态空间表达方法的概念、形式，掌握系统状态空间表达式的各种建立方法、掌握系统的线性变换方法、掌握模型转换方法。

1-3课程教学大纲《现代控制理论》教学大纲一、课程中文名称现代控制理论二、课程英文名称morden control theory三、课程类别专业基础课四、学时与学分学时：48 学分：3五、授课对象自动化、电气自动化专业大三学生六、先修课程高等数学、线性代数、复变函数、自动控制原理等七、后续课程计算机控制八、教学目的《现代控制原理》是自动化专业最基本的专业理论课程，此大纲是根据本专业的教学计划，考虑到本专业的教学特点以及学生进一步学习过程控制系统、计算机控制等课程的需要而编写的，其主要目的是通过本课程的学习，使学生较好的掌握分析和设计控制系统的基本思想和基本方法，提高学生分析问题和解决问题的能力，为以后的课程的学习奠定一定的理论基础。

九、课程讲授内容第一章：绪论，了解控制理论的发展概况，以及现代控制理论的主要特点，内容和研究方法，复习、补充有关《线性代数》的内容。

重点内容：逆矩阵、线性无关与线性相关定义、非齐次方程求解、哈密顿定理、定号性理论等。

第二章 , 控制系统的状态空间表达式: 正确理解线性系统的数学描述，状态空间的基本概念，熟练掌握状态空间的表达式，线性变换。

重点内容：状态空间表达式的建立，状态转移矩阵和状态方程的求解，线性变换的基本性质，传递函数矩阵的定义。

要求熟练掌握通过传递函数、微分方程和结构图建立电路、机电系统的状态空间表达式，并画出状态变量图，以及能控、能观、对角和约当标准型。

难点：状态变量选取的非唯一性，多输入多输出状态空间表达式的建立。

第三章 , 控制系统状态空间表达式的解：本章重点讨论状态转移矩阵的定义、性质和计算方法，从而导出状态方程的求解公式。

正确理解线性定常系统状态方程的求解方法，了解线性离散系统状态方程的求解方法。

第四章 , 线性系统的能控性和能观性: 正确理解定常和离散系统能控性与能观性的基本概念与判据，熟练掌握能控标准型与能观标准型，对偶原理，规范分解，理解传递函数的实现问题。

《现代控制理论》课程教案大纲课程名称：现代控制理论课程代码：英文名称：课程性质：专业选修课程学分学时：学分学时开课学期：第学期适用专业：电气工程及其自动化先修课程：高等数学、线性代数、复变函数与积分变换、自动控制原理、普通物理、电路原理后续课程：无开课单位：机电工程学院课程负责人：杨歆豪大纲执笔人：高瑜大纲审核人：余雷一、课程性质和教案目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及应达到的水平）课程性质：《现代控制理论》是电气工程及自动化专业的一门专业选修课程。

区别于经典控制理论，现代控制理论以状态空间模型为基础，主要研究系统内部状态量的运动规律，并提出了能控性、能观测性、李雅普诺夫稳定性理论、极点配置、状态观测器设计、最优控制等线性系统分析方法。

重在培养学生扎实的理论基础及控制系统的设计能力。

教案目标：通过本课程的教案，使学生掌握现代控制理论的基本内容，为后续课程的学习以及从事复杂的过程控制工作打下基础。

本课程的具体教案目标如下：1.掌握如何根据系统物理机制建立状态空间表达式的具体方法，培养学生对电路、机械等实际控制系统的建模能力；2.掌握如何运用状态空间方法对实际系统的进行分析，培养学生对现代控制方法的设计能力。

教案目标与毕业要求的对应关系：二、课程教案内容及学时分配（含课程教案、自学、作业、讨论等内容和要求，指明重点内容和难点内容）（重点内容：★；难点内容：∆）1、绪论（学时）（支撑教案目标）1.1控制理论的性质1.2控制理论的发展1.3控制理论的应用1.4控制一个动态系统的几个基本步骤。

目标及要求：1)明确本课程的内容、性质和任务以及学习本课程的意义。

2)了解控制理论的发展简况，以及现代控制理论的主要特点，内容和研究方法。

讨论内容：现代控制理论与经典控制的特点比较。

作业内容：复习与回顾《线性代数》中矩阵的基本运算方法。

2、控制系统的状态空间表达式（学时）（支撑教案目标）2.1状态变量及状态空间表达式2.2状态空间表达式的模拟结构图2.3状态空间表达式的建立★2.4状态矢量的线性变换∆2.5从状态空间表达式求传递函数矩阵目标及要求：1)了解状态空间法的基本概念。

《现代控制理论》教案大纲第一章：绪论1.1 课程背景与意义1.2 控制系统的基本概念1.3 控制理论的发展历程1.4 控制理论的应用领域第二章：控制系统数学模型2.1 连续控制系统数学模型2.2 离散控制系统数学模型2.3 状态空间描述2.4 系统矩阵的性质与运算第三章：线性系统的时域分析3.1 系统的稳定性3.2 系统的瞬时性3.3 系统的稳态性能3.4 系统的动态性能第四章：线性系统的频域分析4.1 频率响应的概念4.2 频率响应的性质4.3 系统频率响应的求取方法4.4 系统频域性能指标第五章：线性系统的校正与设计5.1 系统校正的基本概念5.2 常用校正器及其特性5.3 系统校正的方法5.4 系统校正实例分析第六章：非线性控制系统分析6.1 非线性系统的基本概念6.2 非线性系统的数学模型6.3 非线性系统的稳定性分析6.4 非线性系统的控制策略第七章：状态反馈与观测器设计7.1 状态反馈控制的基本原理7.2 状态反馈控制器的设计方法7.3 观测器的设计与分析7.4 状态反馈控制系统应用实例第八章：先进控制策略8.1 鲁棒控制8.2 自适应控制8.3 最优控制8.4 智能控制第九章：最优控制理论9.1 最优控制的基本概念9.2 线性二次调节器（LQR）9.3 离散时间最优控制9.4 最优控制的应用第十章：现代控制理论在工程应用10.1 现代控制理论在自动化领域的应用10.2 现代控制理论在控制中的应用10.3 现代控制理论在航空航天领域的应用10.4 现代控制理论在其他领域的应用第十一章：鲁棒控制理论11.1 鲁棒控制的基本概念11.2 鲁棒控制的设计方法11.3 鲁棒控制的应用实例11.4 鲁棒控制在实际系统中的性能评估第十二章：自适应控制理论12.1 自适应控制的基本概念12.2 自适应控制的设计方法12.3 自适应控制的应用实例12.4 自适应控制在复杂系统中的应用与挑战第十三章：数字控制系统设计13.1 数字控制系统的概述13.2 数字控制器的设计方法13.3 数字控制系统的仿真与实验13.4 数字控制系统在实际应用中的案例分析第十四章：控制系统中的计算机辅助设计14.1 计算机辅助设计的基本概念14.2 控制系统CAD工具与方法14.3 基于软件的控制系统设计与仿真14.4 控制系统CAD在现代工程中的应用案例第十五章：现代控制理论的前沿与发展15.1 现代控制理论的最新研究动态15.2 控制理论与其他领域的交叉融合15.3 未来控制理论的发展趋势15.4 控制理论在解决现实世界问题中的潜力与挑战重点和难点解析本《现代控制理论》教案大纲涵盖了现代控制理论的基本概念、方法与应用，分为十五个章节。

现代控制理论——教学大纲Modern Control Theory适用专业：自动化、电气工程及相关测控专业总学时：48（讲课：42 上机： 6 ） 学分数：3一、 课程的性质和目的本课程是自动化、电气工程及相关测控专业的一门重要课程课。

学习目的是使学生掌握现代控制理论线性多变量系统的基本理论和方法，为进一步学习后续课程和研究相关学科打下基础。

二、 课程教学内容和要求本课程内容以线性定常系统为主，用状态空间法，建立系统的状态模型，分析系统和校正系统。

要求预修自动控制理论、线性代数等课程。

第0章 绪论自动控制理论发展简史；经典控制理论和现代控制理论特点；本课程的目的和要求。

重点领会现代控制理论的方法论特点。

第1章 控制系统的空间表达式系统的状态和状态变量，状态向量和状态空间，系统的状态模型，状态模型的非唯一性；根据系统机理建立状态模型举例。

线性多变量定常系统、非线性系统、时变系统的状态模型的表达式；根据系统的输人、输出模型建立状态模型——实现问题；能控标准型、能观标准型、约当标准型状态模型；根据系统的状态模型求传递矩阵。

1)(--A SI 逆矩阵的计算方法。

理解状态变量的定义，能根据机理法列写系统的状态模型，熟练掌握根据系统的传递矩阵建立状态模型（能控标准型、能观标准型、约当标准型），和根据系统的状态模型求传递矩阵的方法。

第2章 控制系统状态空间表达式的解线性定常系统齐次状态方程的解；状态转移矩阵及其基本性质；矩阵指数的计算方法；线性定常系统非齐次状态方程的解。

理解状态转移矩阵的物理意义，熟记线性定常系统齐次状态方程的解、非齐次状态方程的解的表达式，掌握用凯利-哈密尔顿定理求矩阵指数的方法。

第3章线性控制系统的能控性和能观性系统状态能控性与能观性问题的提出。

状态能控性定义。

状态能观性定义、线性定常系统的能控性、能观性判别准则。

正确理解状态能控性和能观性定义，熟练运用准则判别线性定常系统的能控性、能观性的方法。

现代控制理论一、课程说明课程编号:课程名称：«现代控制理论»英文名称：Modern Control Theory总学时：48总学分：3适用对象: 自动化专业先修课程：自动控制原理线性代数二、课程开设的背景与目标课程开设的背景“现代控制理论”是自动化专业的专业基础课。

课程设在第六学期，它和第五学期开设的“自动控制原理”一并构成自动化专业的核心理论基础。

作为教学对象的三年级下学期本科生已经修完了所有相关的数学课程，具有了较为完善的数学基础知识，并在修完了第五学期开设的“自动控制原理”课后，对自动控制的原理、概念和方法有了一定的了解。

本课程开设目标自动控制领域的科学研究方法，已经由最早的经典控制中以输入输出模型为主，发展为现今的现代控制中以状态空间模型为主。

因而，“现代控制理论”是从事自动化专业必备的知识。

“现代控制理论”的教学目标是使学生牢固树立线性系统中状态空间的概念、进一步理解系统稳定性这一控制学科最为重要的概念，掌握能控与能观、状态反馈与状态估计等核心方法。

三、教学内容与安排第一章前言（2学时）主要介绍控制理论的产生背景及现代控制理论研究的主要内容，使学生对现代控制理论的发展及其所研究的主要问题有一个初步了解。

第二章控制系统的状态空间表达式（6学时）状态空间描述是现代控制理论中描述系统动态运动过程的基本方法，是学习现代控制系统的起点。

本章的重点是状态、状态空间表达式的基本概念、状态空间表达式建立的基本方法。

第三章控制系统状态空间表达式的解（8学时）本章重点介绍线性定常系统状态方程的解；状态转移矩阵的概念、特点、性质。

要求学生了解离散时间系统状态方程的求解方法。

实验一：第四章线性系统的能控性和能观性（10学时）本章主要介绍系统状态的可控性、可观性，它们是系统的重要特性。

学生应掌握系统可控性、可观性的基本概念、判据及系统的对偶性原理，了解按照可控性、可观性对系统进行结构分解的方法。