现代控制理论课程教案

《当代控制理论》课程教案课程及任课教师介绍：课程名称：当代控制理论课程性质：专业基础课授课对象：机械设计制造及自动化专业学时：48教材：《当代控制理论与工程》(第二版)王积伟主编，高等教育出版社课程教学目的：《当代控制理论》是机械制造及自动化专业硕士的学位课。本课程的教学应当使学生理解当代控制理论的体系构造，掌握线性控制系统的状态空间描述、时域分析与离散化等办法，掌握运用状态空间模型分析系统和校正系统及实现最优控制的办法。课程教学重点、难点：本课程的教学重点是：控制系统的状态空间数学模型，系统运动分析，稳定性分析，系统综合和最优控制等。本课程的教学难点是：系统综合和最优控制办法。第一讲第1章控制系统的状态空间数学模型 一、教学内容1.1基本概念1.2线性定常持续系统的状态空间数学模型二、教学目的掌握根据物理模型、微分方程、传递函数、传递函数构造图等建立状态空间模型的办法及状态空间模型的线性变换办法。三、教学重点根据微分方程和传递函数及传递函数构造图建立状态空间模型的办法四、教学难点根据微分方程建立状态空间模型的办法五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第1章控制系统的状态空间数学模型1.1基本概念1.2线性定常持续系统的状态空间数学模型1.2.1根据物理模型建立状态空间模型1.2.2根据微分方程建立状态空间模型1.2.3根据传递函数建立状态空间模型以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。七、作业布置八、课后小结第二讲第1章控制系统的状态空间数学模型（续） 一、教学内容1.2线性定常持续系统的状态空间数学模型（续）1.3线性时变持续系统的状态空间数学模型1.4非线性持续系统的状态空间数学模型二、教学目的掌握线性时变持续系统和非线性持续系统的状态空间数学模型的建立办法。三、教学重点线性时变持续系统状态空间数学模型四、教学难点线性时变持续系统状态空间数学模型五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第1章控制系统的状态空间数学模型（续）1.2线性定常持续系统的状态空间数学模型（续）1.2.4根据系统的传递函数构造图建立状态空间模型1.2.5状态空间模型的线性变换1.3线性时变持续系统的状态空间数学模型1.4非线性持续系统的状态空间数学模型1.4.1本质非线性系统的状态空间模型1.4.2本征非线性系统的状态空间模型以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。七、作业布置八、课后小结第三讲第1章控制系统的状态空间数学模型（续） 一、教学内容1.5线性离散系统的状态空间数学模型1.6MATLAB在建立状态空间模型中的应用二、教学目的掌握线性离散系统状态空间数学模型的建立办法。三、教学重点线性离散系统状态空间数学模型四、教学难点线性离散系统状态空间数学模型五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第1章控制系统的状态空间数学模型（续）1.5线性离散系统的状态空间数学模型1.5.1差分方程和脉冲传递函数1.5.2根据差分方程建立线性定常离散系统的状态空间模型 1.5.3根据脉冲传递函数建立线性定常离散系统的状态空间模型1.5.4线性时变离散系统的状态空间模型1.6MATLAB在建立状态空间模型中的应用1.6.1数学模型的MATLAB表达法1.6.2实现能控规范型的MATLAB编程及计算以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。在MATLAB平台演示有关内容。七、作业布置教材1.1(2),1.2,1.4,1.6(1)(2),自拟(1),(2),(3),(4)八、课后小结第四讲第2章控制系统的运动分析 一、教学内容2.1线性定常持续系统的运动分析二、教学目的掌握状态转移矩阵的计算办法和受控运动分析办法。三、教学重点状态转移矩阵和受控运动分析办法四、教学难点状态转移矩阵和受控运动分析办法五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第1章控制系统的状态空间数学模型2.1线性定常持续系统的运动分析2.1.1自由运动2.1.2状态转移矩阵2.1.3受控运动分析2.1.4．实现线性定常持续系统运动分析的MATLAB编程1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。2.在MATLAB平台演示有关内容。七、作业布置课后小结第五讲第2章控制系统的运动分析（续） 一、教学内容2.2线性时变持续系统的运动分析2.3线性定常离散系统的运动分析二、教学目的掌握线性时变持续系统和线性定常离散系统的运动分析办法。三、教学重点线性时变持续系统和线性定常离散系统的运动分析四、教学难点线性时变持续系统的运动分析五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第2章控制系统的运动分析（续）2.2线性时变持续系统的运动分析2.2.1自由运动及状态转移矩阵2.2.2受控运动——常数变易法2.3线性定常离散系统的运动分析2.3.1线性定常持续系统的离散化2.3.2线性定常离散系统的运动分析 以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。七、作业布置八、课后小结第六讲第2章控制系统的运动分析（续） 一、教学内容2.4线性时变离散系统的运动分析2.5系统运动分析的MATLAB实现二、教学目的掌握线性时变离散系统的运动分析办法。三、教学重点线性时变离散系统的运动分析四、教学难点线性时变离散系统的运动分析五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPTMATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第2章控制系统的运动分析（续）2.4线性时变离散系统的运动分析2.4.1线性时变持续系统的离散化方程2.4.2线性时变离散系统的运动分析2.5系统运动分析的MATLAB实现1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。2.在MATLAB平台演示有关内容。七、作业布置八、课后小结第七讲第3章控制系统的稳定性分析 一、教学内容3.2李雅普诺夫稳定性基本定理3.3线性持续系统的稳定性分析二、教学目的掌握李雅普诺夫稳定性基本定理和线性持续系统的稳定性分析办法。三、教学重点线性持续系统的稳定性分析四、教学难点线性持续系统的稳定性分析五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第3章控制系统的稳定性分析3.1基本概念3.2李雅普诺夫稳定性基本定理3.3线性持续系统的稳定性分析3.3.1线性定常持续系统的稳定性分析及其MATLAB编程与计算3.3.2线性时变持续系统的稳定性分析1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。2.在MATLAB平台演示有关内容。七、作业布置八、课后小结第八讲第3章控制系统的稳定性分析（续） 一、教学内容3.4线性离散系统的稳定性分析3.5非线性持续系统的稳定性分析二、教学目的掌握线性离散系统和非线性持续系统的稳定性分析办法。三、教学重点线性离散系统和非线性持续系统的稳定性分析四、教学难点非线性持续系统的稳定性分析五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第3章控制系统的稳定性分析（续）3.4线性离散系统的稳定性分析3.4.1线性定常离散系统的稳定性分析及其MATLAB编程与计算3.4.2线性时变离散系统的稳定性分析3.5非线性持续系统的稳定性分析3.5.1雅可比（Jacobian）矩阵法及其MATLAB编程与计算3.5.2变量梯度法1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。2.在MATLAB平台演示有关内容。七、作业布置教材3.3,3.4,3.7,3.8;自拟(1),(2),(3)八、课后小结第九讲第4章控制系统的能控性与能观察性一、教学内容4.1系统的能控性二、教学目的掌握系统能控性的分析办法。三、教学重点系统的能控性分析四、教学难点系统的能控性分析五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第4章控制系统的能控性与能观察性4.1系统的能控性4.1.1线性时变持续系统的能控性4.1.2线性定常持续系统的能控性及其MATLAB辅助分析4.1.3线性定常离散系统的能控性1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。2.在MATLAB平台演示有关内容。七、作业布置八、课后小结第十讲第4章控制系统的能控性与能观察性（续）一、教学内容4.2系统的能观察性二、教学目的掌握系统能观察性的分析办法。三、教学重点系统的能观察性分析四、教学难点系统的能观察性分析五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第4章控制系统的能控性与能观察性（续）4.2系统的能观察性4.2.1线性时变持续系统的能观察性4.2.3线性定常离散系统的能观察性4.3能控与能观察规范型的实现4.3.1能控规范型的实现及其MATLAB编程与计算4.3.2能观察规范型的实现及其MATLAB编程与计算1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。2.在MATLAB平台演示有关内容。七、作业布置八、课后小结第十一讲第4章控制系统的能控性与能观察性（续）一、教学内容4.5对偶系统及对偶性原理4.6线性定常系统能控能观察构造的分解二、教学目的掌握对偶性原理和线性定常系统能控能观察构造的分解办法。三、教学重点线性定常系统能控能观察构造的分解四、教学难点线性定常系统能控能观察构造的分解五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第4章控制系统的能控性与能观察性（续）4.4线性定常系统能控与能观察性在复域[s]中的判据4.5对偶系统及对偶性原理4.5.1线性定常对偶系统4.5.2线性时变对偶系统4.6线性定常系统能控能观察构造的分解4.6.1能控与不能控构造分解及其MATLAB辅助计算4.6.2能观察与不能观察构造分解及其MATLAB辅助计算4.6.3能控与能观察性构造综合分解1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。2.在MATLAB平台演示有关内容。七、作业布置教材2.1(4),2.2(4),2.4(3),2.5(2),2.7,2.10,2.13;自拟(1),(2),(3)(4)八、课后小结第十二讲第5章线性定常控制系统的综合一、教学内容5.1反馈控制系统的基本构造5.2以实现盼望极点为目的的系统综合二、教学目的掌握以实现盼望极点为目的的系统综合办法三、教学重点以实现盼望极点为目的的系统综合四、教学难点以实现盼望极点为目的的系统综合五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第5章线性定常控制系统的综合5.1反馈控制系统的基本构造5.1.1状态反馈控制系统5.1.2输出反馈控制系统5.2以实现盼望极点为目的的系统综合5.2.1单输入状态反馈控制系统极点配备及其MATLAB辅助计算5.2.2多输入状态反馈控制系统的极点配备办法5.2.3输出反馈控制系统极点配备及其MATLAB辅助计算1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。2.在MATLAB平台演示有关内容。七、作业布置八、课后小结第十三讲第5章线性定常控制系统的综合（续）一、教学内容5.3以实现系统镇静为目的的系统综合5.4以实现解耦控制为目的的系统综合二、教学目的掌握以实现系统镇静和以实现解耦控制为目的的系统综合办法三、教学重点以实现系统镇静和以实现解耦控制为目的的系统综合四、教学难点以实现系统镇静和以实现解耦控制为目的的系统综合五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第5章线性定常控制系统的综合（续）5.3以实现系统镇静为目的的系统综合5.4以实现解耦控制为目的的系统综合5.4.1赔偿器解耦5.4.2状态反馈解耦5.4.3实现状态反馈解耦控制的MATLAB编程与计算1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。2.在MATLAB平台演示有关内容。七、作业布置八、课后小结第十四讲第5章线性定常控制系统的综合（续）一、教学内容5.5状态重构控制系统二、教学目的掌握带全维状态重构器和降维状态重构器的状态反馈系统的设计办法三、教学重点带全维状态重构器和降维状态重构器的状态反馈系统的设计四、教学难点带全维状态重构器和降维状态重构器的状态反馈系统的设计五、教学思路和办法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学办法第5章线性定常控制系统的综合（续）5.5状态重构控制系统5.5.1全维状态重构器及其MATLAB辅助设计5.5.2带全维状态重构器的状态反馈系统5.5.3降维状态重构器及其MATLAB辅助设计1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题解说具体应用办法。2.在MATLAB平台演示有关内容。七、作业布置教材4.1,