现代控制理论教学大纲2013-2014

《现代控制理论》课程实验教学大纲课程名称：现代控制理论（Modern Control Theory）课程编号：021471课程性质：非独立设课课程属性：专业基础课实验教材或指导书名称：自动控制理论实验指导书（自编）课程总学时：36 学分： 2 实验学时：4面向专业：自动化专业（A）实验室名称：电气工程与控制实验教学中心一、课程简介：《现代控制理论》是自动化专业的一门重要的专业基础课，同时也是专业的主干课程，其任务让学生掌握分析与综合自动控制系统的另一种基础理论与方法。

本课程为自动控制理论中的现代控制理论部分，其主要内容有：系统状态空间表达式的建立；状态方程的求解；系统的能控性和能观性；李雅普诺夫判别稳定性方法的原理及用其分析线性系统的稳定性；控制系统的综合，包括极点配置及状态观测器等。

二、课程实验目的与要求：1. 本门课程理论性强，较抽象难懂，要求学生通过实验，验证所学理论，通过理论联系实际，学好本课程。

2. 要求学生掌握用状态反馈配置极点的实验线路，能用运算放大器及阻容元件构成状态观测器的模拟系统。

3. 进一步提高学生正确使用有关仪表及实验装置能力、动手能力、分析实际问题能力和初步科研能力，培养科学和严谨的工作作风。

三、考试（考核）方式：根据学生实验情况及实验报告，评定其实验成绩，并作为平时成绩的一部分，占课程总成绩的5%。

在笔试中，实验内容亦占考试内容的5%左右。

四、主要仪器设备及台（套）数：1．自动控制理论成套模拟实验装置，不少于30套；2．与实验装置配套计算机，不少于30台；3．通用测量仪器，包括数字示波器2台、函数记录仪2台、万用表5个。

五、主要参考书目：刘豹. 现代控制理论.北京：机械工业出版社，1999年5月第2版；大纲编写人：吕祖沛大纲审核人：何小阳大纲批准人：龚仁喜日期：2004 年11 月20 日。

《现代控制理论》课程简介课程内容：《现代控制理论》是自动化专业的限选专业课程。

课程的内容包括系统状态空间表达式的建立；状态方程的求解；系统的能控性和能观性；李雅普诺夫判别稳定性方法的原理及用其分析线性系统的稳定性；控制系统的综合，包括极点配置及状态观测器等。

课程的任务是比较全面系统地讲述现代控制系统的基本原理和基本分析设计方法。

通过学习，掌握控制系统的能控性和能观性，以及设计状态观测器、状态反馈控制器的方法，并把重点放在状态观测器、状态反馈控制器设计上，为今后从事控制领域的工作和研究打下必要的基础；能够列写状态空间表达式；能够根据用户要求的性能指标设计状态观测器和状态反馈控制器；培养学生的辨证思维能力，对今后进一步学习更为专业的控制理论技术起到辐射的作用。

Brief IntroductionCourse Description:This course is the limited subject course for the college students.The contents of this course include: system state space expressions, state equation, controllability and observability, Lyapunov stability method, the pole placement , observer and controller.The mission of this course is:1st, to introduce the basic principle and basic method of modern control system ，through the study, master control system controllability and observability;2nd, to design state observer, state feedback controller, state space expression;3rd, to design state observer and state feedback controller according to the user request performance index .《现代控制理论》课程教学大纲一、教学内容第一章控制系统的状态空间表达式1.1 状态变量及状态空间表达式1.2 状态空间表达式的模拟结构图1.3 由微分方程列写状态空间表达式1.4 由传递函数列写状态空间表达式1.5 状态向量的线性变换1.6 传递函数矩阵教学难点：传递函数矩阵。

《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。

5. 对线性系统理论的新发展有所了解。

6. 为学生进一步的学习打下必要的基础。

（三）课程教学方法与手段以课堂讲授为主，辅以习题、实验等环节。

（四）实践环节通过计算机仿真，主要运用Matlab软件使学生能初步掌握MATLAB工具包，并用它在计算机环境中进行控制‘实验’，对控制系统进行分析与综合，以提高学生的系统分析和综合能力。

1 C R L
0 B1 L
(7)输出方程
在指定系统输出的情况下，该输出与状态变量及输入 变量间的函数关系式称为系统的输出方程。 例1-2中，若指定uC (t)为输出，且输出一般用y(t)表示， 则输出方程为 (1-10)
y(t ) u c (t ) x1
【例1-1】确定图1-5所示电路的状态变量。
图1-5 RLC电路 要惟一地确定t时刻电路的运动行为，除了要知道输 入电压u(t)外，还必须给出流过电感上的初始电流i(t0)和 电容上的初始电压uC (t0) ，或者说uC (t)和i(t)这两个变量 可用来完全地描述该电路的运动行为，且它们之间是独 立的，故uC (t)和i(t)是该电路的状态变量。
(3)状态向量
设x1(t),x2(t),…,xn(t)是系统的一组状态变量，把这些状 态变量看做向量x(t)的分量，则x(t)就称为状态向量，记为
x1 (t ) x (t ) x n (t )
(4)状态空间 以 x1(t),x2(t),…,xn(t) 为坐标轴构成的一个n维欧 氏空间，称为状态空间。
x1 a11 x1 a12 x 2 a1n x n b11u1 b12u 2 b1r u r x 2 a 21 x1 a 22 x 2 a 2 n x n b21u1 b22u 2 b2 r u r x n a n1 x1 a n 2 x 2 a nn x n bn1u1 bn 2 u 2 bnr u r
(1-13)
(9)工程问题中状态变量的选取
■动态系统需用微分方程描述是因为动态系统含
有储能元件,因而,动态系统是一个能存储输入 信息的系统。对同一系统的任何一种不同的状 态空间表达式而言,其状态变量的数目是惟一的, 必等于系统的阶数,即系统中独立储能元件的个 数。在具体工程问题中，可选取独立储能元件 的能量方程中的物理变量作为系统的状态变量。