四川大学制造科学与工程学院本科课程 《现代控制理论》教学大纲 课程编号： 302147020 课程类型 迷修课 Course Code:302147020 Course Type: Elective 课程名称：现代控制理论 授课对象： 本科三年级学 Course Name:Modern Control Theory Audience: Junior 学时/学分：22 投课语言： 中文 Credit B2/2 Language of Chinese Hours/Credits Instruction Mandarin 先修课程：线性代数、机械制造基础、控制工程基础 开课院系： 机械工程系 Prerequisite:Linear Algebra,Basis of Mechanical Course offered by:Department of Manufactory,Fundamentals of Control Engineering Eng. 适用专业：机械设计制造及其自动化专业 Intended for:Mechanical Design,Manufacturing and Automation 大纲执笔人：李敬敏 大纲审核人： Edited by: Inspected by: 一、课程简介 本课程是机械设计制造及其自动化专业高年级学生的一门专业选修课，是在学习经典 控制理论后对现代控制理论的入门教有。随着计算机技术的迅猛发展，对非线性和复杂系 统的研究也日益深入和广泛，从控制策略上进行理论上的分析，对被测控对象进行建模和 控制是很有必要的。培养学生掌握现代控制理论的思想和分析方法是本课程的重点。 现代控制理论是对系统的状态进行分析和综合的理论，主要用来解决多输入多输出系 统的问题，系统可以是线性或非线性的、定常或时变的。它用所谓状态空间法来分析和综 合控制系统的控制目标以揭示系统的内在规律。 本课程教学任务主要是使学生掌握现代控制系统的基本概念，掌握状态控制系统的建 模、分析与综合设计的基本方法，掌握状态控制系统的计算机模拟与仿真的基本技能，为
四川大学制造科学与工程学院本科课程 《现代控制理论》教学大纲 课程编号： Course Code: 302147020 302147020 课程类型： Course Type: 选修课 Elective 课程名称： Course Name: 现代控制理论 Modern Control Theory 授课对象： Audience: 本科三年级学 生 Junior 学时/学分： Credit Hours/Credits 32/2 32/2 授课语言： Language of Instruction 中文 Chinese Mandarin 先修课程： Prerequisite: 线性代数、机械制造基础、控制工程基础 Linear Algebra, Basis of Mechanical Manufactory, Fundamentals of Control Engineering 开课院系： Course offered by: 机械工程系 Department of Mechanical Eng. 适用专业： 机械设计制造及其自动化专业 Intended for: Mechanical Design, Manufacturing and Automation 大纲执笔人： Edited by: 李敬敏 Jingmin Li 大纲审核人： Inspected by: 一、课程简介 本课程是机械设计制造及其自动化专业高年级学生的一门专业选修课，是在学习经典 控制理论后对现代控制理论的入门教育。随着计算机技术的迅猛发展，对非线性和复杂系 统的研究也日益深入和广泛，从控制策略上进行理论上的分析，对被测控对象进行建模和 控制是很有必要的。培养学生掌握现代控制理论的思想和分析方法是本课程的重点。 现代控制理论是对系统的状态进行分析和综合的理论，主要用来解决多输入-多输出系 统的问题，系统可以是线性或非线性的、定常或时变的。它用所谓状态空间法来分析和综 合控制系统的控制目标以揭示系统的内在规律。 本课程教学任务主要是使学生掌握现代控制系统的基本概念，掌握状态控制系统的建 模、分析与综合设计的基本方法，掌握状态控制系统的计算机模拟与仿真的基本技能，为
专业课的学习、毕业设计和进一步深造打下必要的理论基础 一、学习目标 通过本课程的理论学习和实践，使学生具备下列知识与技能： 1、能够正确理解和掌握现代控制理论的基本概念、基本原理等相关理论及方法，能够 运用数学、物理、力学知识表达机械设备控制工程问题： 2、能够针对复杂控制系统利用状态空间表示法建立控制系统的数学模型，并能对系统 数学模型进行初步理论分析与计算： 3、能够对一般控制系统提出控制优化的解决方案，并运用计算机专业软件对控制系统 进行数值模拟和仿真，以解决复杂控制的工程问题： 二、学习目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 毕业要求指标点 学习目标 1.2具有解决机械工程领域设 (1)工程知识：能够将数学、自 计、制造、运行等过程中的复杂工 然科学、工程基础和专业知识用于解决 学习目标1 程问题所需的工程基础知识和专业 复杂工程问题。 知识： 2.1能够应用数学、自然科学 和机械工程科学的基本原理，识别 学习目标2 (2)问题分析：能够应用数学 机械工程领城设计、制造、运行中 自然科学和工程科学的基本原理，识 的关键问题与参数： 别、表达、并通过文献研究分析复杂工 2.3能够针对机械工程领域设 程问题，以获得有效结论 计、制造、运行中的复杂工程问 学习目标2 题，进行分析、评价，以获得有效 结论
专业课的学习、毕业设计和进一步深造打下必要的理论基础。 一、学习目标 通过本课程的理论学习和实践，使学生具备下列知识与技能： 1、能够正确理解和掌握现代控制理论的基本概念、基本原理等相关理论及方法，能够 运用数学、物理、力学知识表达机械设备控制工程问题； 2、能够针对复杂控制系统利用状态空间表示法建立控制系统的数学模型，并能对系统 数学模型进行初步理论分析与计算； 3、能够对一般控制系统提出控制优化的解决方案，并运用计算机专业软件对控制系统 进行数值模拟和仿真，以解决复杂控制的工程问题； 二、学习目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 毕业要求指标点 学习目标 （1）工程知识：能够将数学、自 然科学、工程基础和专业知识用于解决 复杂工程问题。 1.2 具有解决机械工程领域设 计、制造、运行等过程中的复杂工 程问题所需的工程基础知识和专业 知识； 学习目标 1 （2）问题分析：能够应用数学、 自然科学和工程科学的基本原理，识 别、表达、并通过文献研究分析复杂工 程问题，以获得有效结论。 2.1 能够应用数学、自然科学 和机械工程科学的基本原理，识别 机械工程领域设计、制造、运行中 的关键问题与参数； 学习目标 2 2.3 能够针对机械工程领域设 计、制造、运行中的复杂工程问 题，进行分析、评价，以获得有效 结论。 学习目标 2
(5)使用现代工具：能够针对复 5.1能够选择适当的技术、资 杂工程问题，开发、选择与使用恰当的 源、现代工程工具和信息技术工 技术、资源、现代工程工具和信息技术 具，进行机械工程领域设计、制 学习目标3 工具，包括对复杂工程问题的预测与模造、运行中复杂工程问题的预测与 拟，并能够理解其局限性。 模拟 四、教学基本内容 第一章绪论(2学时，本章学习内容对应学习目标1，支撑毕业要求指标点1.2) 控制系统的组成、现代控制理论的特点、应用、发展现状和趋势，以及本课程的特点 与学习方法等，复习、补充有关《线性代数》的内容。重点理解现代控制的基础分析方法 以及与传统控制理论的区别。 第二章线性控制系统的状态空间描述（本章学习内容对应学习目标1（华业要求1.2）， 学习目标2（支排毕业要求指标点2.1）。 主要内容：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 表达式与线性变换。 重点内容：状态空间表达式的建立，线性变换的基本性质，传递函数矩阵的定义。 基本要求：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，能够熟练变换各种数学模型。 难点内容：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。 第三章线性控制系统的运动分析（本章学习内容对应学习目标1（毕业要求1.2），支 排学习目标2（华业要求2.3）) 主要内容：线性定常系统状态方程的求解方法，矩阵指数函数，了解线性离散系统状态 方程的求解方法。 重点内容：状态转移矩阵和状态方程的求解 基本要求：掌握求解状态转移矩阵的时域幂级数法直接计算法、复域拉氏变换法、凯菜 哈密顿定理待定系数法、相似变换法。 难点内容：矩阵指数函数及非齐次状态方程的解法。 第四章线性系统的可控性与可观测性（本章学习内容对应学习目标1（毕业要求1.2）
四、教学基本内容 第一章绪论（2 学时，本章学习内容对应学习目标 1，支撑毕业要求指标点 1.2） 控制系统的组成、现代控制理论的特点、应用、发展现状和趋势，以及本课程的特点 与学习方法等，复习、补充有关《线性代数》的内容。重点理解现代控制的基础分析方法 以及与传统控制理论的区别。 第二章 线性控制系统的状态空间描述（本章学习内容对应学习目标 1（毕业要求 1.2）， 学习目标 2（支撑毕业要求指标点 2.1）。 主要内容：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 表达式与线性变换。 重点内容：状态空间表达式的建立，线性变换的基本性质，传递函数矩阵的定义。 基本要求：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，能够熟练变换各种数学模型。 难点内容：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 线性控制系统的运动分析（本章学习内容对应学习目标 1（毕业要求 1.2），支 撑学习目标 2（毕业要求 2.3）） 主要内容：线性定常系统状态方程的求解方法，矩阵指数函数，了解线性离散系统状态 方程的求解方法。 重点内容：状态转移矩阵和状态方程的求解。 基本要求：掌握求解状态转移矩阵的时域幂级数法直接计算法、复域拉氏变换法、凯莱 哈密顿定理待定系数法、相似变换法。 难点内容：矩阵指数函数及非齐次状态方程的解法。 第四章 线性系统的可控性与可观测性（本章学习内容对应学习目标 1（毕业要求 1.2）， （5）使用现代工具：能够针对复 杂工程问题，开发、选择与使用恰当的 技术、资源、现代工程工具和信息技术 工具，包括对复杂工程问题的预测与模 拟，并能够理解其局限性。 5.1 能够选择适当的技术、资 源、现代工程工具和信息技术工 具，进行机械工程领域设计、制 造、运行中复杂工程问题的预测与 模拟； 学习目标 3
支排学习目标2（毕业要求2.3）) 主要内容：正确理解定常连续和离散系统可控性与可观测性的基本概与判据，熟练掌 握可控标准型与可观标准型，对偶原理。 重点内容：可控、可观的含义和定义，定常系统可控、可观的各种判据，线性变换的不 变性。 基本要求：掌握线性定常控制系统可控性与可观测性判别方法，能控标准形与能观标准 形变换方法。 难点内容：可控性和可观测性判定方法。 第五章李雅普诺夫稳定性理论（支撑学习目标1（华业要求1.2）、支排学习目标2 (毕业要求2.3) 主要内容：正确理解稳定性基本概念和李雅普诺夫意义稳定性概念，熟练掌握李氏第 法，李氏第二法，掌握线性系统渐近稳定性分析方法 重点内容：李雅普诺夫第一、第二法的主要定义与定理，李雅普诺夫函数，线性定常 系统与非线性系统稳写性定理与判别，李雅普诺夫方程，渐近稳定性的分析与判别。 基本要求：掌握李氏第一法，李氏第二法判定方法，掌握线性系统渐近稳定性分析方 法。 难点内容：李雅普诺夫函数的定义，构造与选取。 第六章线性系统的综合（支排学习目标1（华业要求1.2）、支撑学习目标2（华业要 求2.3)，支排学习目标3（华业要求5.1）) 主要内容：理解传递函数的实现问题，熟练掌握状态反馈与输出反馈，极点配置，状 态观测器设计方法以及分分离原理，降维观测器设计。 重点内容：状态反馈与输出反馈的基本结构、性质和有关定理，单输入、单输出系统 极点配置，状态反馈与观测器的工程应用。 基本要求：熟练掌握状态反馈与输出反馈，极点配置。 难点内容：状态反馈与输出反馈实现的充要条件，带观测器的闭环反馈系统设计。 五、建议教学进度（理论22学时，上机实践10学时） 第一章 绪论 4学时 第二章 线性控制系统的状态空间描述 8学时（理论6学时，实践2学 时)
支撑学习目标 2（毕业要求 2.3）） 主要内容：正确理解定常连续和离散系统可控性与可观测性的基本概念与判据，熟练掌 握可控标准型与可观标准型，对偶原理。 重点内容：可控、可观的含义和定义，定常系统可控、可观的各种判据，线性变换的不 变性。 基本要求:掌握线性定常控制系统可控性与可观测性判别方法，能控标准形与能观标准 形变换方法。 难点内容：可控性和可观测性判定方法。 第五章 李雅普诺夫稳定性理论（支撑学习目标 1（毕业要求 1.2）、支撑学习目标 2 （毕业要求 2.3）） 主要内容：正确理解稳定性基本概念和李雅普诺夫意义稳定性概念，熟练掌握李氏第 一法，李氏第二法，掌握线性系统渐近稳定性分析方法 重点内容：李雅普诺夫第一、第二法的主要定义与定理，李雅普诺夫函数，线性定常 系统与非线性系统稳写性定理与判别，李雅普诺夫方程，渐近稳定性的分析与判别。 基本要求：掌握李氏第一法，李氏第二法判定方法，掌握线性系统渐近稳定性分析方 法。 难点内容：李雅普诺夫函数的定义，构造与选取。 第六章 线性系统的综合（支撑学习目标 1（毕业要求 1.2）、支撑学习目标 2（毕业要 求 2.3），支撑学习目标 3（毕业要求 5.1）） 主要内容：理解传递函数的实现问题，熟练掌握状态反馈与输出反馈，极点配置，状 态观测器设计方法以及分分离原理，降维观测器设计。 重点内容：状态反馈与输出反馈的基本结构、性质和有关定理，单输入、单输出系统 极点配置，状态反馈与观测器的工程应用。 基本要求：熟练掌握状态反馈与输出反馈，极点配置。 难点内容：状态反馈与输出反馈实现的充要条件，带观测器的闭环反馈系统设计。 五、建议教学进度（理论 22 学时，上机实践 10 学时） 第一章 绪论 4 学时 第二章 线性控制系统的状态空间描述 8 学时（理论 6 学时，实践 2 学 时）
第三章 线性控制系统的运动分析 4学时（理论2学时，实践2学 时) 第四章 线性系统的可控性与可观测性 6学时（理论4学时，实践2学 时) 第五章 李雅普洛夫稳定性理论 6学时（理论2学时，实践2学 时) 第六章 线性系统的综合 4学时（理论4学时，实践2学 时) 六、教学策略与方法 1、采用多媒体课件和传统教学相结合进行教学，阐述现代控制理论基本概念和基本原 理，理论联系实际： 2、通过工程实际案例分析，使学生能够认识到现代控制理论的学科特点、优势和不 足，强调在机械设计制造及其自动化领域建立和运用现代控制理论的思维和方法： 3、在学习专业内容的同时，要求学生掌握计算机应用的基本技能(MATLAB),并能够 应用于机械产品设计及过程控制方面： 4、理论联系实际，使学生能够得到有关现代控制工程知识的培养和锻炼。 七、考核方式 期末开卷笔试和过程考核成绩综合评价 八、成绩评定方法 总成绩=期末开卷成绩(0.4)+实践作业(0.2)+平时作业(0.4) 实践作业与平时作业为过程考核，其中平时作业=日常考勤(0.25)+平时作业(0.75)， 考核次数不少于6次 九、教学参考书与其他相关教学资源（如网上教学资源等） 1、王孝武编，现代控制理论基础（第3版）/“十二五“普通高等教有本科国家级规划 教材，机械工业出版社，I5BN:9787111425472出版时间：2013-08-01 2、刘豹，现代控制理论，机械工业出版社，2006年 3、薛定字等，基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用，清华大学出版社 2002 4、潘丰等，自动控制原理，机械工业出版社，2010年
第三章 线性控制系统的运动分析 4 学时（理论 2 学时，实践 2 学 时） 第四章 线性系统的可控性与可观测性 6 学时（理论 4 学时，实践 2 学 时） 第五章 李雅普洛夫稳定性理论 6 学时（理论 2 学时，实践 2 学 时） 第六章 线性系统的综合 4 学时（理论 4 学时，实践 2 学 时） 六、教学策略与方法 1、采用多媒体课件和传统教学相结合进行教学，阐述现代控制理论基本概念和基本原 理，理论联系实际； 2、通过工程实际案例分析，使学生能够认识到现代控制理论的学科特点、优势和不 足，强调在机械设计制造及其自动化领域建立和运用现代控制理论的思维和方法； 3、在学习专业内容的同时，要求学生掌握计算机应用的基本技能（MATLAB），并能够 应用于机械产品设计及过程控制方面； 4、理论联系实际，使学生能够得到有关现代控制工程知识的培养和锻炼。 七、考核方式 期末开卷笔试和过程考核成绩综合评价 八、成绩评定方法 总成绩=期末开卷成绩（0.4）+实践作业（0.2）+平时作业（0.4） 实践作业与平时作业为过程考核，其中平时作业=日常考勤（0.25）+平时作业（0.75）， 考核次数不少于 6 次 九、教学参考书与其他相关教学资源（如网上教学资源等） 1、王孝武 编, 现代控制理论基础（第 3 版）/“十二五”普通高等教育本科国家级规划 教材, 机械工业出版社, ISBN：9787111425472 出版时间：2013-08-01 2、刘豹， 现代控制理论， 机械工业出版社， 2006 年 3、薛定宇等， 基于 MATLAB/ Simulink 的系统仿真技术与应用，清华大学出版社 2002 4、潘丰等，自动控制原理，机械工业出版社，2010 年