《现代控制理论》课程教案.doc

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1、现代控制理论课程教案课程及任课教师简介：课程名称：现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： 现代控制理论与工程(第二版) 王积伟主编 ，高等教育出版社课程教学目标： 现代控制理论是机械制造及自动化专业研究生的学位课。本课程的教学应当使学生了解现代控制理论的体系结构，掌握线性控制系统的状态空间描述、时域分析与离散化等方法，掌握利用状态空间模型分析系统和校正系统及实现最优控制的方法。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方法。第一讲第1

2、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 线性定常连续系统的状态空间数学模型二、教学目标 掌握根据物理模型、微分方程、传递函数、传递函数结构图等建立状态空间模型的方法及状态空间模型的线性变换方法。三、教学重点根据微分方程和传递函数及传递函数结构图建立状态空间模型的方法四、教学难点根据微分方程建立状态空间模型的方法五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第1章 控制系统的状态空间数学模型1.1 基本概念1.2 线性定常连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

3、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，通过例题讲解具体应用方法。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 线性定常连续系统的状态空间数学模型（续）1.3 线性时变连续系统的状态空间数学模型1.4 非线性连续系统的状态空间数学模型二、教学目标 掌握线性时变连续系统和非线性连续系统的状态空间数学模型的建立方法。三、教学重点线性时变连续系统状态空间数学模型四、教学难点线性时变连续系统状态空间数学模型五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第1章 控制系统的状态空间数学模型（

4、续）1.2 线性定常连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结构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 线性时变连续系统的状态空间数学模型1.4 非线性连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，通过例题讲解具体应用方法。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1.6 MATLAB在建立状态空间模型中的应用二、教学目标 掌握线性离散系统状态空间数学模型的建立方法。三、教学重点线性离散系

5、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、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第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1.6 MATLAB在建立状态空间模型中的应用 1.6.1数学模型的MATLAB表示法 1.6.2实现能控规范型的MATLAB编程及计算1. 以板书推证为主，以PPT演

6、示为辅，通过例题讲解具体应用方法。2. 在MATLAB平台演示相关内容。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 线性定常连续系统的运动分析二、教学目标 掌握状态转移矩阵的计算方法和受控运动分析方法。三、教学重点状态转移矩阵和受控运动分析方法四、教学难点状态转移矩阵和受控运动分析方法五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第1章 控制系统的状态空间数学模型2.1 线性定常连续系统的运动分析 2.1.1 自由运动

7、2.1.2 状态转移矩阵 2.1.3受控运动分析 2.1.4实现线性定常连续系统运动分析的MATLAB编程1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题讲解具体应用方法。2.在MATLAB平台演示相关内容。七、作业布置八、 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 线性时变连续系统的运动分析2.3 线性定常离散系统的运动分析二、教学目标 掌握线性时变连续系统和线性定常离散系统的运动分析方法。三、教学重点线性时变连续系统和线性定常离散系统的运动分析四、教学难点线性时变连续系统的运动分析五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第

8、2章 控制系统的运动分析（续）2.2 线性时变连续系统的运动分析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 线性定常连续系统的离散化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，通过例题讲解具体应用方法。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、教学目标 掌握线性时变离散系统的运动分析方法。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、教学思路和方法讲清概念，板书

9、推证，PPTMATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第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 线性时变连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，通过例题讲解具体应用方法。2.在MATLAB平台演示相关内容。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 线性连续系统的稳定性分析二、教学目标 掌握李雅普诺夫稳定性基本定理和线性连续系统的稳定性分析方法。三、教学重点线性连续系统的稳定性分析四、

10、教学难点线性连续系统的稳定性分析五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第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 线性连续系统的稳定性分析3.3.1线性定常连续系统的稳定性分析及其MATLAB编程与计算3.3.2线性时变连续系统的稳定性分析1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题讲解具体应用方法。2.在MATLAB平台演示相关内容。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 非线性连续系统的稳定性分析二、教学目标 掌

11、握线性离散系统和非线性连续系统的稳定性分析方法。三、教学重点线性离散系统和非线性连续系统的稳定性分析四、教学难点非线性连续系统的稳定性分析五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第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 非线性连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，通过例题讲解具体应用方法。

12、2.在MATLAB平台演示相关内容。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测性一、教学内容4.1 系统的能控性二、教学目标 掌握系统能控性的分析方法。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、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第4章 控制系统的能控性与能观测性4.1 系统的能控性 4.1.1线性时变连续系统的能控性 4.1.2线性定常连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

13、PPT演示为辅，通过例题讲解具体应用方法。2.在MATLAB平台演示相关内容。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测性（续）一、教学内容4.2 系统的能观测性二、教学目标 掌握系统能观测性的分析方法。三、教学重点系统的能观测性分析四、教学难点系统的能观测性分析五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第4章 控制系统的能控性与能观测性（续）4.2 系统的能观测性 4.2.1线性时变连续系统的能观测性 4.2.3线性定常离散系统的能观测性4.3 能控与能观测规范型的实现 4.3.1能控规范型的实现及其MATLAB编

14、程与计算 4.3.2能观测规范型的实现及其MATLAB编程与计算1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题讲解具体应用方法。2.在MATLAB平台演示相关内容。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测性（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测结构的分解二、教学目标 掌握对偶性原理和线性定常系统能控能观测结构的分解方法。三、教学重点线性定常系统能控能观测结构的分解四、教学难点线性定常系统能控能观测结构的分解五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第4章 控制系统的能控性与能

15、观测性（续）4.4 线性定常系统能控与能观测性在复域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测结构的分解 4.6.1能控与不能控结构分解及其MATLAB辅助计算 4.6.2能观测与不能观测结构分解及其MATLAB辅助计算 4.6.3能控与能观测性结构综合分解1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题讲解具体应用方法。2.在MATLAB平台演示相关内容。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

16、 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结构5.2 以实现期望极点为目标的系统综合二、教学目标 掌握以实现期望极点为目标的系统综合方法三、教学重点以实现期望极点为目标的系统综合四、教学难点以实现期望极点为目标的系统综合五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第5章 线性定常控制系统的综合5.1 反馈控制系统的基本结构 5.1.1 状态反馈控制系统 5.1.2输出反馈控制系统5.2 以实现期望极点为目标的系统综合 5.2.1单输入状态反馈控制系统极点配置及其MATLAB辅助计算 5.2.2多输入状态反馈控制系统的极

17、点配置方法 5.2.3输出反馈控制系统极点配置及其MATLAB辅助计算1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题讲解具体应用方法。2.在MATLAB平台演示相关内容。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 以实现系统镇定为目标的系统综合5.4 以实现解耦控制为目标的系统综合二、教学目标 掌握以实现系统镇定和以实现解耦控制为目标的系统综合方法三、教学重点以实现系统镇定和以实现解耦控制为目标的系统综合四、教学难点以实现系统镇定和以实现解耦控制为目标的系统综合五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学

18、内容教学方法第5章 线性定常控制系统的综合（续）5.3 以实现系统镇定为目标的系统综合5.4 以实现解耦控制为目标的系统综合 5.4.1补偿器解耦 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，通过例题讲解具体应用方法。2.在MATLAB平台演示相关内容。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、教学目标 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方法三、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

19、和降维状态重构器的状态反馈系统的设计五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第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，通过例题讲解具体应用方法。2.在MATLAB平台演示相关内容。七、作业布置 教材4.1,4.2,4.6,4.7,4.9,4.10(2)；自拟(1),(2),(3),(4)八、课后小结第十五讲第六章 最优控制一、教学内容.1

20、泛函及其变分法简介.2 最优控制及其拉格朗日乘子法二、教学目标 掌握最优控制及其拉格朗日乘子法三、教学重点最优控制及其拉格朗日乘子法四、教学难点 最优控制及其拉格朗日乘子法五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第6章 最优控制.1 泛函及其变分法简介.2 最优控制及其拉格朗日乘子法 6.2.1数学模型 6.2.2 拉格朗日(Lagrange)乘子法以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题讲解具体应用方法。七、作业布置 八、课后小结第十六讲第六章 最优控制（续）一、教学内容6.3线性二次型最优控制二、教学目标 掌握线性二次型最优控制方法三、教学重点线性二次型最优控制四、教学难点 线性二次型最优控制五、教学思路和方法讲清概念，板书推证，PPT和MATLAB演示。六、教学内容和过程：教学内容教学方法第6章 最优控制（续）6.3 线性二次型最优控制 6.3.1 线性二次型最优控制的目标泛函 6.3.2 状态调节器及其MATLAB辅助设计 6.3.3 输出调节器 6.3.4输出跟踪器及其MATLAB辅助设计1.以板书推证为主，以PPT演示为辅，通过例题讲解具体应用方法。2.在MATLAB平台演示相关内容。七、作业布置 自拟作业(1),(2),(3)八、课后小结