课程性质与任务

《现代控制理论》是自动化专业的专业教育课程。本课程是在经典控制论基础上，基于状态空间方法研究系统状态的运动规律，并按所要求的各种指标最优为目标来改变系统的运动规律。在教学过程中应力求使学生掌握现代控制理论的基本概念、基本分析和设计方法，重在提高学生分析问题、解决问题的能力和创新意识。本课程也是学生学习后续控制应用课程的理论基础课程之一，也为解决复杂的自动化领域工程问题提供基本方法。在教学过程中，还应该培养学生建立系统认识和系统运用的思维习惯，能够利用系统论的观念分析问题解决问题。

课程目标

• 课程目标1
  • 能够基于状态空间建立控制系统的数学模型(包括状态方程和输出方程，以及传递函数、系统结构图、高阶微分方程与状态空间表达式的转换)；动态方程的结构分解，能化动态方程为能控、能观和对角标准型。(支撑毕业要求指标点1-2)
• 课程目标2
  • 能够基于状态空间方法对系统进行分析，包括能控性和能观性判别，能够用李雅普诺夫方法对线性系统进行稳定性判别；能够使用Matlab对控制系统的动态解、稳定性、能控性和能观性进行辅助分析。(支撑毕业要求指标点2-2)
• 课程目标3
  • 能够根据系统的性能指标要求设计状态反馈控制器，能够设计状态观测器。(支撑毕业要求指标点3-1)
• 课程目标4
  • 能够通过实验验证分析设计结果，并对实验数据进行整理、归纳、分析和解释，得出合理有效的结论。(支撑毕业要求指标点4-4)
• 思政课程目标
  • 本课程结合理论知识点，培养学生领略技术哲学之美的意识并从中有所感悟，潜移默化地将热爱祖国、吃苦耐劳、脚踏实地等思想传授给学生，引导学生在思想上发现自身存在的问题，及时纠正偏差，引领学生树立以“技”报“国”的社会责任感和端正的科研素养及道德情操，将爱国之志变成具体的报国之行。

课程内容

1. 绪论
   • 1.1 现代控制理论的发展
   • 1.2 现代控制理论的分支
   • 1.3 经典控制理论与现代控制理论
2. 控制系统的状态空间描述 Slide
   • 2.1 状态的基本概念
   • 2.2 状态空间表达式
   • 2.3 根据系统的机理建立状态空间表达式
   • 2.4 根据系统的微分方程建立状态空间表达式
   • 2.5 根据系统的传递函数建立状态空间表达式
   • 2.6 由状态空间表达式求传递函数阵
   • 2.7 状态空间表达式的线性变换
3. 线性控制系统的状态方程求解 Slide
   • 3.1 线性定常齐次状态方程的解
   • 3.2 状态转移矩阵
   • 3.3 线性定常非齐次状态方程的解
   • 3.4 线性时变状态方程的解
4. 控制系统的能控性和能观测性 Slide
   • 4.1 线性连续系统的能控性
   • 4.2 线性连续系统的能观测性
   • 4.3 能控性与能观测性的对偶关系
   • 4.4 线性定常系统的能控标准型和能观标准型
   • 4.5 线性定常系统的结构分解
   • 4.6 传递函数阵的实现
5. 控制系统的稳定性 Slide
   • 5.1 李雅普诺夫稳定性定义
   • 5.2 李雅普诺夫第一法
   • 5.3 李雅普诺夫第二法
   • 5.4 李雅普诺夫第二法在线性系统中的应用
6. 控制系统的状态空间综合 Slide
   • 6.1 状态反馈和输出反馈
   • 6.2 极点配置
   • 6.3 系统镇定
   • 6.4 解耦控制
   • 6.5 状态观测器
   • 6.6 降维观测器
   • 6.7 带状态观测器的状态反馈系统
7. 最优控制基础 Slide
   • 7.1 最优控制的基本概念
   • 7.2 最优控制变分法
   • 7.3 极大值原理
   • 7.4 动态规划
   • 7.5 线性二次型最优控制