s

《現代控制理論》課程教案

課程及任課教師簡介：

課程名稱：現代控制理論

課程性質：專業基礎課

授課對象：機械設計制造及自動化專業

學時：48

教材：《現代控制理論與工程》(第二版)王積偉主編，高等教育出版社

課程教學目標：

《現代控制理論》是機械制造及自動化專業研究生的學位課。本課程的教學應當使學生了解現代控制

理論的體系結構，掌握線性控制系統的狀態空間描述、時域分析與離散化等方法，掌握利用狀態空間模型

分析系統和校正系統及實現最優控制的方法。

課程教學重點、難點：

本課程的教學重點是：控制系統的狀態空間數學模型，系統運動分析，穩定性分析，系統綜合和最優

控制等。

本課程的教學難點是：系統綜合和最優控制方法。

s

s

第一講第1章控制系統的狀態空間數學模型

一、教學內容

1.1基本概念

1.2線性定常連續系統的狀態空間數學模型

二、教學目標

掌握根據物理模型、微分方程、傳遞函數、傳遞函數結構圖等建立狀態空間模型的方法及狀態空間模

型的線性變換方法。

三、教學重點

根據微分方程和傳遞函數及傳遞函數結構圖建立狀態空間模型的方法

四、教學難點

根據微分方程建立狀態空間模型的方法

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第1章控制系統的狀態空間數學模型

1.1基本概念

以板書推證為主，

1.2線性定常連續系統的狀態空間數學模型

以PPT演示為輔，

1.2.1根據物理模型建立狀態空間模型通過例題講解具

體應用方法。

1.2.2根據微分方程建立狀態空間模型

1.2.3根據傳遞函數建立狀態空間模型

七、作業布置

八、課后小結

s

s

第二講第1章控制系統的狀態空間數學模型（續）

一、教學內容

1.2線性定常連續系統的狀態空間數學模型（續）

1.3線性時變連續系統的狀態空間數學模型

1.4非線性連續系統的狀態空間數學模型

二、教學目標

掌握線性時變連續系統和非線性連續系統的狀態空間數學模型的建立方法。

三、教學重點

線性時變連續系統狀態空間數學模型

四、教學難點

線性時變連續系統狀態空間數學模型

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第1章控制系統的狀態空間數學模型（續）

以板書推證為主，

1.2線性定常連續系統的狀態空間數學模型（續）

以PPT演示為輔，

1.2.4根據系統的傳遞函數結構圖建立狀態空間模型通過例題講解具

體應用方法。

1.2.5狀態空間模型的線性變換

1.3線性時變連續系統的狀態空間數學模型

1.4非線性連續系統的狀態空間數學模型

1.4.1本質非線性系統的狀態空間模型

1.4.2本征非線性系統的狀態空間模型

七、作業布置

八、課后小結

s

s

第三講第1章控制系統的狀態空間數學模型（續）

一、教學內容

1.5線性離散系統的狀態空間數學模型

1.6MATLAB在建立狀態空間模型中的應用

二、教學目標

掌握線性離散系統狀態空間數學模型的建立方法。

三、教學重點

線性離散系統狀態空間數學模型

四、教學難點

線性離散系統狀態空間數學模型

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第1章控制系統的狀態空間數學模型（續）

1.5線性離散系統的狀態空間數學模型1.以板書推證為

主，以PPT演示為

1.5.1差分方程和脈沖傳遞函數輔，通過例題講解

1.5.2根據差分方程建立線性定常離散系統的狀態空間模型具體應用方法。

2.在MATLAB平臺

1.5.3根據脈沖傳遞函數建立線性定常離散系統的狀態空間模型演示相關內容。

1.5.4線性時變離散系統的狀態空間模型

1.6MATLAB在建立狀態空間模型中的應用

1.6.1數學模型的MATLAB表示法

1.6.2實現能控規范型的MATLAB編程及計算

七、作業布置教材1.1(2),1.2,1.4,1.6(1)(2),自擬(1),(2),(3),(4)

八、課后小結

s

s

第四講第2章控制系統的運動分析

一、教學內容

2.1線性定常連續系統的運動分析

二、教學目標

掌握狀態轉移矩陣的計算方法和受控運動分析方法。

三、教學重點

狀態轉移矩陣和受控運動分析方法

四、教學難點

狀態轉移矩陣和受控運動分析方法

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第1章控制系統的狀態空間數學模型

2.1線性定常連續系統的運動分析1.以板書推證為

主，以PPT演示為

2.1.1自由運動輔，通過例題講解

2.1.2狀態轉移矩陣具體應用方法。

2.在MATLAB平臺

2.1.3受控運動分析演示相關內容。

2.1.4．實現線性定常連續系統運動分析的MATLAB編程

七、作業布置

八、課后小結

s

s

第五講第2章控制系統的運動分析（續）

一、教學內容

2.2線性時變連續系統的運動分析錯誤！未定義書簽。

2.3線性定常離散系統的運動分析

二、教學目標

掌握線性時變連續系統和線性定常離散系統的運動分析方法。

三、教學重點

線性時變連續系統和線性定常離散系統的運動分析

四、教學難點

線性時變連續系統的運動分析

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第2章控制系統的運動分析（續）

2.2線性時變連續系統的運動分析錯誤！未定義書簽。以板書推證為主，

以PPT演示為輔，

2.2.1自由運動及狀態轉移矩陣

通過例題講解具

2.2.2受控運動——常數變易法

體應用方法。

2.3線性定常離散系統的運動分析

2.3.1線性定常連續系統的離散化

2.3.2線性定常離散系統的運動分析

七、作業布置

八、課后小結

s

s

第六講第2章控制系統的運動分析（續）

一、教學內容

2.4線性時變離散系統的運動分析

2.5系統運動分析的MATLAB實現

二、教學目標

掌握線性時變離散系統的運動分析方法。

三、教學重點

線性時變離散系統的運動分析

四、教學難點

線性時變離散系統的運動分析

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPTMATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第2章控制系統的運動分析（續）

2.4線性時變離散系統的運動分析1.以板書推證為

主，以PPT演示為

2.4.1線性時變連續系統的離散化方程

輔，通過例題講解

2.4.2線性時變離散系統的運動分析

具體應用方法。

2.5系統運動分析的MATLAB實現2.在MATLAB平臺

演示相關內容。

七、作業布置

八、課后小結

s

s

第七講第3章控制系統的穩定性分析

一、教學內容

3.2李雅普諾夫穩定性基本定理

3.3線性連續系統的穩定性分析

二、教學目標

掌握李雅普諾夫穩定性基本定理和線性連續系統的穩定性分析方法。

三、教學重點

線性連續系統的穩定性分析

四、教學難點

線性連續系統的穩定性分析

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第3章控制系統的穩定性分析

3.1基本概念

1.以板書推證為

3.2李雅普諾夫穩定性基本定理主，以PPT演示為

3.3線性連續系統的穩定性分析輔，通過例題講解

具體應用方法。

3.3.1線性定常連續系統的穩定性分析及其MATLAB編程與計算2.在MATLAB平臺

3.3.2線性時變連續系統的穩定性分析演示相關內容。

七、作業布置

八、課后小結

s

s

第八講第3章控制系統的穩定性分析（續）

一、教學內容

3.4線性離散系統的穩定性分析

3.5非線性連續系統的穩定性分析

二、教學目標

掌握線性離散系統和非線性連續系統的穩定性分析方法。

三、教學重點

線性離散系統和非線性連續系統的穩定性分析

四、教學難點

非線性連續系統的穩定性分析

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第3章控制系統的穩定性分析（續）

3.4線性離散系統的穩定性分析

1.以板書推證為

3.4.1線性定常離散系統的穩定性分析及其MATLAB編程與計算

主，以PPT演示為

3.4.2線性時變離散系統的穩定性分析

輔，通過例題講解

3.5非線性連續系統的穩定性分析具體應用方法。

3.5.1雅可比（Jacobian）矩陣法及其MATLAB編程與計算2.在MATLAB平臺

3.5.2變量梯度法演示相關內容。

七、作業布置教材3.3,3.4,3.7,3.8;自擬(1),(2),(3)

八、課后小結

s

s

第九講第4章控制系統的能控性與能觀測性

一、教學內容

4.1系統的能控性

二、教學目標

掌握系統能控性的分析方法。

三、教學重點

系統的能控性分析

四、教學難點

系統的能控性分析

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第4章控制系統的能控性與能觀測性

4.1系統的能控性

1.以板書推證為

4.1.1線性時變連續系統的能控性錯誤！未定義書簽。

主，以PPT演示為

4.1.2線性定常連續系統的能控性及其MATLAB輔助分析

輔，通過例題講解

4.1.3線性定常離散系統的能控性

具體應用方法。

2.在MATLAB平臺

演示相關內容。

七、作業布置

八、課后小結

s

s

第十講第4章控制系統的能控性與能觀測性（續）

一、教學內容

4.2系統的能觀測性

二、教學目標

掌握系統能觀測性的分析方法。

三、教學重點

系統的能觀測性分析

四、教學難點

系統的能觀測性分析

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第4章控制系統的能控性與能觀測性（續）

4.2系統的能觀測性

4.2.1線性時變連續系統的能觀測性1.以板書推證為

4.2.3線性定常離散系統的能觀測性主，以PPT演示為

4.3能控與能觀測規范型的實現輔，通過例題講解

4.3.1能控規范型的實現及其MATLAB編程與計算具體應用方法。

4.3.2能觀測規范型的實現及其MATLAB編程與計算2.在MATLAB平臺

演示相關內容。

七、作業布置

八、課后小結

s

s

第十一講第4章控制系統的能控性與能觀測性（續）

一、教學內容

4.5對偶系統及對偶性原理

4.6線性定常系統能控能觀測結構的分解

二、教學目標

掌握對偶性原理和線性定常系統能控能觀測結構的分解方法。

三、教學重點

線性定常系統能控能觀測結構的分解

四、教學難點

線性定常系統能控能觀測結構的分解

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第4章控制系統的能控性與能觀測性（續）

4.4線性定常系統能控與能觀測性在復域[s]中的判據

4.5對偶系統及對偶性原理1.以板書推證為

4.5.1線性定常對偶系統主，以PPT演示為

4.5.2線性時變對偶系統輔，通過例題講解

4.6線性定常系統能控能觀測結構的分解具體應用方法。

4.6.1能控與不能控結構分解及其MATLAB輔助計算2.在MATLAB平臺

4.6.2能觀測與不能觀測結構分解及其MATLAB輔助計算演示相關內容。

4.6.3能控與能觀測性結構綜合分解

七、作業布置教材2.1(4),2.2(4),2.4(3),2.5(2),2.7,2.10,2.13;自擬(1),(2),(3)(4)

八、課后小結

s

s

第十二講第5章線性定常控制系統的綜合

一、教學內容

5.1反饋控制系統的基本結構

5.2以實現期望極點為目標的系統綜合

二、教學目標

掌握以實現期望極點為目標的系統綜合方法

三、教學重點

以實現期望極點為目標的系統綜合

四、教學難點

以實現期望極點為目標的系統綜合

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第5章線性定常控制系統的綜合

5.1反饋控制系統的基本結構

5.1.1狀態反饋控制系統1.以板書推證為

5.1.2輸出反饋控制系統主，以PPT演示為

5.2以實現期望極點為目標的系統綜合輔，通過例題講解

5.2.1單輸入狀態反饋控制系統極點配置及其MATLAB輔助計算具體應用方法。

5.2.2多輸入狀態反饋控制系統的極點配置方法2.在MATLAB平臺

5.2.3輸出反饋控制系統極點配置及其MATLAB輔助計算演示相關內容。

七、作業布置

八、課后小結

s

s

第十三講第5章線性定常控制系統的綜合（續）

一、教學內容

5.3以實現系統鎮定為目標的系統綜合

5.4以實現解耦控制為目標的系統綜合

二、教學目標

掌握以實現系統鎮定和以實現解耦控制為目標的系統綜合方法

三、教學重點

以實現系統鎮定和以實現解耦控制為目標的系統綜合

四、教學難點

以實現系統鎮定和以實現解耦控制為目標的系統綜合

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第5章線性定常控制系統的綜合（續）

5.3以實現系統鎮定為目標的系統綜合

5.4以實現解耦控制為目標的系統綜合1.以板書推證為

5.4.1補償器解耦主，以PPT演示為

5.4.2狀態反饋解耦輔，通過例題講解

5.4.3實現狀態反饋解耦控制的MATLAB編程與計算具體應用方法。

2.在MATLAB平臺

演示相關內容。

七、作業布置

八、課后小結

s

s

第十四講第5章線性定常控制系統的綜合（續）

一、教學內容

5.5狀態重構控制系統

二、教學目標

掌握帶全維狀態重構器和降維狀態重構器的狀態反饋系統的設計方法

三、教學重點

帶全維狀態重構器和降維狀態重構器的狀態反饋系統的設計

四、教學難點

帶全維狀態重構器和降維狀態重構器的狀態反饋系統的設計

五、教學思路和方法

講清概念，板書推證，PPT和MATLAB演示。

六、教學內容和過程：

教學內容教學方法

第5章線性定常控制系統的綜合（續）

5.5狀態重構控制系統

5.5.1全維狀態重構器及其MATLAB輔助設計1.以板書推證為

5.5.2帶全維狀態重構器的狀態反饋系統主，以PPT演示為

5.5.3降維狀態重構器及其MATLAB輔助設計輔，通過例題講解

具體應用方法。

2.在MATLAB平臺

演示相關內容。

七、作業布置教材4.1,4.2,4.6,4.7,4.9,4.10(2)；自擬(1),(2),(3),(4)

八、課后小結

s

s

第十五講第六章最優控制

一、教學內容

６.1泛函及其變分法