现代控制理论课程教学大纲

1、?现代限制理论?课程教学大纲课程名称：现代限制理论课程代码：ELEA3024英文名称：ModernControlTheory课程性质：专业选修课程学分/学时：2学分/36学时开课学期：第6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、自动限制原理、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、课程性质和教学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水平及应到达的水平课程性质：?现代限制理论?是电气工程及自动化专业的一门专业选修课程.区别于经典限制理论,现代限制理论以状态空间模型为根

2、底,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、最优限制等线性系统分析方法.重在培养学生扎实的理论根底及限制系统的设计水平.教学目标：通过本课程的教学,使学生掌握现代限制理论的根本内容,为后续课程的学习以及从事复杂的过程限制工作打下根底.本课程的具体教学目标如下：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、机械等实际限制系统的建模水平；2 .掌握如何运用状态空间方法对实际系统的进行分析,培养学生对现代限制方法的设计水平.教学目标与毕业要求的对应关系:毕业要求指标点课程目标对应关系说明毕业要求4:研究

3、4-1能够基于电气工程及其自动化专业知识,进行相关实验方案的设计教学目标1建立实际系统的数学模型,是设计相关实验、分析系统性能的根底.毕业要求12:终身学习12-2能针对个人或职业的开展需求,采用适宜的方法持续学习和提升,建立学习知识和拓展水平的途径教学目标2具备限制方法的初步设计水平,为学生在今后持续学习及工作过程中解决实际限制问题奠定了一定的理论根底.二、课程教学内容及学时分配含课程教学、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2学时支撑教学目标11.1 限制理论的性质1.2 限制理论的开展1.3 限制理论的应用1.4 限制一个动态系统的几个根本步

4、骤.目标及要求：1.5 确本课程的内容、性质和任务以及学习本课程的意义.2） 了解限制理论的开展概况,以及现代限制理论的主要特点,内容和研究方法.讨论内容：现代限制理论与经典限制的特点比拟.作业内容：复习与回忆?线性代数?中矩阵的根本运算方法.2、限制系统的状态空间表达式8学时支撑教学目标12.1 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：2.6 了解状态空间法的根本概念.2掌握根据系统物理机理来建立状态空间表达式的具体方法.3掌握系统模拟结构图的绘制方法.4掌握如何利用线性

5、变换改变状态空间表达式的结构形式.5掌握状态空间表达式与传递函数矩阵间互相转换的计算方法.讨论内容：同一系统状态空间表达式的非唯一性.作业内容：1给定电路及机械运动系统求状态空间表达式.2给定系统传递函数求四种状态空间表达式的标准形式.3给定系统状态空间表达式求传递函数.自学拓展：利用状态空间法对生活中的某一限制系统进行数学模型的建立.3、限制系统状态空间表达式的解6学时支撑教学目标13.1 线性定常齐次状态方程的解3.2 状态转移矩阵3.3 线性定常系统非齐次方程的解3.4 连续时间状态空间表达式的离散化目标及要求：1） 了解状态转移矩阵的根本概念.2掌握状态转移矩阵的几种不同求法.3掌握线

6、性定常系统状态方程的求解方法.4掌握连续系统的离散化方法.讨论内容：求解状态转移矩阵几种方法间的比照.作业内容：1利用拉普拉斯变换及凯莱-哈密尔顿定理两种方法分别求解系统状态转移矩阵.2求系统在单位阶跃信号作用下的状态方程的解.3连续时间状态空间表达式,求离散时间状态空间表达式.自学拓展：近似离散化方法的实际应用.4、线性系统的能控性与能观测性6学时支撑教学目标24.1 能控性与能观性的定义4.2 线性定常系统的能控性与能观性判别4.3 状态空间表达式的能控标准型与能观标准型4.4 线性系统的结构分解目标及要求：1掌握线性系统能控性与能观性的定义及判别方法.2掌握线性系统能控标准型与能观标准型

7、的建立方法.3掌握线性系统按能控性与能观性进行结构分解的方法.讨论内容：状态空间表达式的最小实现问题作业内容：1状态空间表达式,求系统的能控性判别矩阵与能观性判别矩阵,并判断能控性与能观性.2运用线性变换求解系统的能控标准型与能观标准型.3运用线性变换对系统进行结构分解.自学拓展：传递函数中零极点对消与状态能控性和能观性之间的关系.5、稳定性与李雅普诺夫方法6学时支撑教学目标25.1李雅普诺夫稳定性定义5.2李雅普诺夫第一法与第二法5.3李雅普诺夫方法在线性系统中的应用目标及要求：1正确理解稳定性根本概念和李雅普诺夫意义稳定性概念.2掌握线性系统渐近稳定性分析方法.讨论内容：如何寻找满足判据条

8、件的李雅普诺夫函数.作业内容：1李雅普诺夫第一法判断系统稳定性.2李雅普诺夫第二法分析系统平衡状态的稳定性.自学拓展：离散时间系统的稳定性判据.6、线性定常系统的综合4学时支撑教学目标26.1反应限制系统的根本结构6.2极点配置问题6.3状态观测器目标及要求：1理解状态反应的根本概念.2掌握通过状态反应的手段进行极点配置的方法.3了解状态观测器定义及实现方法.作业内容：1求解状态反应闭环系统的表达式及对应的模拟结构图.2根据指定闭环系统极点设计状态反应限制器.3设计状态观测器满足极点要求.自学拓展：系统的解耦问题7、最优限制4学时支撑教学目标27.1 最优化问题的数学描述7.2 静态最优问题的

9、解7.3 最优限制问题的描述目标及要求：1） 了解最优化问题的根本概念.2掌握静态最优问题的求解方法.3了解最优化限制问题的根本概念.作业内容：1写出最优限制问题的前提条件及性能指标形式.2求解一元与多元函数的极值点与极值.自学拓展：离散时间系统的最优限制描述.三、教学方法在教学方式上,根据具体教学内容,综合运用课堂讲授、课堂讨论、课堂练习、发现学习法和自学指导法,并通过引入问题和启发式教学,使学生更加明确教学内容的知识体系,引导学生主动学习,激发内在学习动机,提升课堂的积极性,通过课后习题,强化所学知识的理解和运用,培养学生解决问题的水平.同时,该课程中增加的特色教学方法说明如下：1 .教学

10、中增加实际系统案例在课程讲解过程中通过实际系统案例结合课本内容进行讲解,以提升学生的学习兴趣,可防止学生出现只关注计算方法和计算过程,而忽略了具体系统的概念及为什么要采用这种方法的情况.例如在状态空间表达式这局部内容的教学过程中,只讲解如何由高阶微分方程或传递函数来建立状态空间表达式,学生往往只知道如何把方法生搬硬套的拿来完成计算得到结果,对过程中为什么设置这么多状态变量,状态变量和微分方程、传递函数的联系并不关心,很容易将该课程变成数学课.如果在教学过程中引入具体的工程案例,例如具体的电路、机械牵引、机械转动系统等,更容易让学生建立起实际系统的概念,让学生明白状态空间法能解决的实际问题.2 .课堂中引入Matlab软件进行计算和演示在课堂教学中利用计算机资源,使用Matlab仿真软件,既可以提升学生的兴趣,又可以代替手算解决一些复杂计算的问题并给出直观的数据仿真结果.例如在极点配置这局部内容的教学过程中,会涉及系统能控性的判别和系统特征值的运算,分析过程中计算会比拟复杂.如果使用Matlab软件可以很快的算出准确结果,节省不必要的计算时间.除此之外,Matlab还可将结果数据以图像的形式演示出来,学生可以有更直观的熟悉,并加深对方法的掌握程度.另外,Matlab自带的工具箱及命令语句的运用简化了许多复