1 《现代控制理论基础》课程教学大纲
课程编号：
课程名称： 现代控制理论
英文名称： Modern Control Theory
课程性质: 考试
学 时： 42学时（讲授36学时+6学时实验）
适用对象: 工业自动化
先修课程： 自动控制理论，线性代数，工程数学
一、编写说明
（一）本课程的性质、地位和作用
现代控制理论是自动化专业的主干技术基础课，它是在经典控制理论的基础上建立和发展起来的。本课程是以状态空间理论为核心，对动态系统进行分析和研究。它不但可以解决单变量线性定常系统，还可以解决多变量、时变、非线性系统的问题。通过本门课程的学习，使学生掌握线性控制系统的状态空间描述,能够对线性系统的几种模型进行互相转化; 掌握线性控制系统的运动规律及连续系统的离散化;熟悉线性控制系统的能控性与能观测性概念及其判定准则;了解控制系统的李亚普诺夫稳定性理论; 掌握线性控制系统的状态反馈与状态观测器的设计方法。通过对本课程的学习，要求学生系统地获得现代控制理论的基本知识，切实掌握所涉及的基本概念、基本理论和基本方法，为后继课程的学习奠定良好的理论基础.
（二）教学基本要求
1. 掌握现代控制理论的基本知识及其分析方法，能够用状态空间表达式来描述系统，并根据系统的微分方程建立其状态空间表达式的方法。
2. 掌握系统特征值的求取方法，掌握线性定常系统非齐次方程的解和线性时变系统的解的求取方法，以及离散时间系统状态方程的两种解法。
3. 掌握能控性、能观性的定义及各自的判别准则。
4. 掌握用李雅普诺夫第一法和第二法分析系统的稳定性的方法。
一、引言
1.1 自动控制理论的定义
1.2 自动控制系统的分类
1.3 自动控制理论的应用领域
二、数学基础
2.1 线性代数基础
2.2 微积分基础
2.3 常微分方程
2.4 拉普拉斯变换
三、经典控制理论
3.1 概述
3.2 传递函数
3.3 系统稳定性分析
3.4 系统响应分析
3.5 系统校正设计
四、现代控制理论
4.1 状态空间描述
4.2 状态空间分析
4.3 控制器设计
4.4 观测器设计
4.5 系统李雅普诺夫稳定性分析
五、线性二次调节器 5.1 概述
5.2 性能指标
5.3 调节器设计
5.4 数字实现
六、非线性控制系统
6.1 非线性系统的特点
6.2 非线性方程和方程组的求解
6.3 非线性系统的分析和设计方法
6.4 非线性控制系统的应用实例
七、模糊控制系统
7.1 模糊控制理论的基本概念
7.2 模糊控制规则和推理方法
7.3 模糊控制器的设计
7.4 模糊控制系统的仿真和应用
八、自适应控制系统
8.1 自适应控制的基本概念
8.2 自适应控制算法
8.3 自适应控制系统的性能分析
8.4 自适应控制的应用实例
九、智能控制系统
9.1 智能控制的基本概念
9.2 人工神经网络在自动控制中的应用 9.3 遗传算法在自动控制中的应用
9.4 模糊神经网络在自动控制中的应用
十、自动控制技术的应用
10.1 工业自动化
10.2 交通运输自动化
10.3 生物医学工程自动化
10.4 家居自动化
六、非线性控制系统
6.1 非线性系统的特点
6.2 非线性方程和方程组的求解
求解非线性方程和方程组通常需要使用数值方法，如牛顿法、弦截法和迭代法等。
6.3 非线性系统的分析和设计方法
对于非线性系统，常用的分析方法有相平面分析、李雅普诺夫方法和描述函数法等。设计方法包括反馈线性化和滑模控制等。
6.4 非线性控制系统的应用实例
例如，臂的控制、电动汽车的稳定控制等。
自动控制原理课件全套教程
目录
一、基本概念与术语..........................................3
1.1 自动控制的基本概念...................................5
1.2 自动控制系统的组成...................................6
1.3 自动控制系统的分类...................................7
二、控制系统的数学模型......................................8
2.1 系统微分方程的建立..................................10
2.2 系统传递函数的推导..................................11
2.3 系统的频率特性......................................12
三、控制系统的时域分析.....................................13
3.1 系统的稳定性分析....................................15
3.2 系统的动态性能分析..................................15
四、控制系统的频域分析.....................................17
4.1 频率特性的图形表示..................................19 4.2 频率特性的性能分析..................................19
4.3 系统的稳定性判定....................................21
五、控制系统的校正与设计...................................22
《现代控制理论》课程教案
一、教学目标
1. 了解自动控制的基本概念、原理和方法。
2. 掌握线性系统的状态空间分析、传递函数分析和频率响应分析。
3. 熟悉现代控制理论的主要内容，包括最优控制、鲁棒控制和自适应控制等。
4. 学会运用现代控制理论解决实际工程问题。
二、教学内容
1. 自动控制的基本概念：开环控制与闭环控制、稳定性、稳态误差、性能指标等。
2. 线性系统的数学模型：差分方程、微分方程、状态空间方程。
3. 状态空间分析：系统的可控性、可观测性、稳定性和性能分析。
4. 传递函数分析：劳斯-赫尔维茨准则、奈奎斯特准则、频率响应分析。
5. 最优控制：线性二次调节器、庞特里亚金最小原理、动态规划。
三、教学方法
1. 讲授：讲解基本概念、原理和方法，结合实际案例进行分析。
2. 互动：提问、回答问题，引导学生思考和讨论。
3. 练习：课后作业、小测验，巩固所学知识。
4. 项目：分组完成控制系统设计项目，提高实际应用能力。
四、教学资源
1. 教材：《现代控制理论》，作者：宋志坚。
2. 课件：PowerPoint演示文稿。
3. 辅助软件：MATLAB，用于分析和设计控制系统。 五、教学评价
1. 平时成绩：课堂表现、作业、小测验（30%）。
2. 项目成绩：分组完成的项目（30%）。
3. 期末考试成绩：闭卷考试（40%）。
六、教学安排
1. 课时：总共32课时，每课时45分钟。
2. 授课方式：课堂讲授与实践相结合。
3. 授课进度安排：
自动控制的基本概念（2课时）
线性系统的数学模型（3课时）
状态空间分析（5课时）
传递函数分析（4课时）
最优控制（5课时）
鲁棒控制与自适应控制（5课时）
控制系统应用案例分析（2课时）
七、教学案例
1. 案例一：温度控制系统
描述：某实验室需要保持恒定的温度，当温度超过设定值时，启动空调降温；当温度低于设定值时，启动暖气升温。
教学目的：分析系统的稳定性、可控性和可观测性，设计合适的控制器。
