现代控制理论说课
现代控制理论课件第四讲
现代控制理论的应用领域
现代控制理论广泛应用于航空航天、 工业自动化、交运输、能源等领域， 为解决复杂系统的控制问题提供了有 效的方法。
课程目标
掌握状态空间分析方法的基本原 理
通过本讲的学习，学习者应能够理解状态 空间分析方法的基本概念、原理及其在控 制系统中的应用。
学会建立状态空间模型
学习者应能够根据实际系统的动态特性， 建立相应的状态空间模型，为后续的控制 设计打下基础。
特点
强调数学建模、状态空间分析、 最优控制和自适应控制等理论和 方法的应用，以实现对系统的有 效控制。
现代控制理论的重要性
工业自动化
现代控制理论在工业自动化领域 中发挥着重要作用，通过自动化 控制系统实现对生产过程的精确 控制，提高生产效率和产品质量。
航天与航空
在航天和航空领域，现代控制理 论的应用对于飞行器的导航、制 导和控制至关重要，保证飞行器
现代控制理论课件第四 讲
目录
• 引言 • 现代控制理论概述 • 线性系统理论 • 最优控制理论 • 非线性系统理论 • 现代控制理论的应用与发展趋势
引言
01
课程背景
控制理论的发展历程
课件的定位与作用
从经典控制理论到现代控制理论，再 到智能控制理论，控制理论在不断发 展与完善。
本课件作为现代控制理论的第四讲， 旨在深入探讨状态空间分析方法，为 学习者提供系统、全面的知识体系。
详细描述
非线性系统的控制设计方法主要包括逆系统方法、状态 反馈方法、滑模控制方法等。这些方法可以根据具体的 系统特性和控制要求进行选择和应用。例如，逆系统方 法通过构造一个逆系统来补偿非线性系统的非线性特性 ，实现精确跟踪控制；状态反馈方法利用状态反馈控制 器来稳定非线性系统；滑模控制方法通过设计滑模面和 滑模控制器，使得系统状态在滑模面上滑动，实现对于 非线性系统的有效控制。
《现代控制理论》课程教案
《现代控制理论》课程教案一、教学目标1. 了解自动控制系统的概念，理解自动控制的基本原理和特点。
2. 掌握线性系统的状态空间表示，熟悉状态空间方程的求解方法。
3. 学习控制器的分析和设计方法，包括PID控制、状态反馈控制和观测器设计。
4. 学会运用现代控制理论解决实际工程问题，提高系统的稳定性和性能。
二、教学内容1. 自动控制系统的基本概念和原理自动控制系统的定义、分类和性能指标开环控制系统和闭环控制系统的区别与联系2. 状态空间表示及其应用状态空间方程的定义和求解方法状态转移矩阵和初始状态对系统行为的影响状态空间图的绘制和分析3. 控制器的分析和设计PID控制原理及其参数调整方法状态反馈控制和观测器的设计方法控制器设计实例和仿真分析4. 系统的稳定性和性能分析线性时不变系统的稳定判据系统的瞬时响应、稳态响应和频率响应分析系统性能指标的优化方法三、教学方法1. 讲授法：讲解基本概念、原理和方法，阐述重点难点。
2. 案例分析法：分析实际工程案例，让学生学会运用现代控制理论解决问题。
3. 实验法：安排实验课程，让学生动手实践，加深对理论知识的理解。
4. 讨论法：组织课堂讨论，培养学生独立思考和团队协作的能力。
四、教学资源1. 教材：《现代控制理论》，作者：吴启迪、何观强。
2. 课件：PowerPoint 或其他演示软件制作的课件。
3. 实验设备：控制系统实验平台。
4. 仿真软件：MATLAB/Simulink。
五、教学评价1. 平时成绩：课堂表现、作业完成情况和实验报告。
2. 考试成绩：期末考试，包括选择题、填空题、计算题和论述题。
3. 实践能力：实验报告和实际工程问题的解决方案。
六、教学安排1. 课时：共计32课时，其中包括16次课堂讲授，8次实验操作，8次课堂讨论。
2. 授课方式：课堂讲授结合实验操作和课堂讨论。
3. 进度安排：第1-8课时：讲授自动控制系统的基本概念和原理。
第9-16课时：讲解状态空间表示及其应用。
《现代控制理论》课件
目录
• 引言 • 线性系统理论 • 非线性系统理论 • 最优控制理论 • 自适应控制理论 • 鲁棒控制理论
01
引言
什么是现代控制理论
现代控制理论是一门研究动态系统控制的学科，它利用数学模型和优化方法来分析 和设计控制系统的性能。
它涵盖了线性系统、非线性系统、多变量系统、分布参数系统等多种复杂系统的控 制问题。
20世纪60年代
线性系统理论和最优控制理论得到发展，为现代控制理论的建立奠定 了基础。
20世纪70年代
非线性系统理论和自适应控制理论逐渐发展起来，进一步丰富了现代 控制理论的应用范围。
20世纪80年代至今
现代控制理论在智能控制、鲁棒控制、预测控制等领域取得了重要进 展，为解决复杂系统的控制问题提供了更有效的工具。
01
利用深度学习算法对系统进行建模和学习，实现更高
效和智能的自适应控制。
多变量自适应控制
02 研究多变量系统的自适应控制方法，以提高系统的全
局性能。
非线性自适应控制
03
发展非线性系统的自适应控制方法，以处理更复杂的
控制系统。
06
鲁棒控制理论
鲁棒控制的基本概念
鲁棒控制是一种设计方法，旨在 提高系统的稳定性和性能，使其 在存在不确定性和扰动的情况下
自适应逆控制
一种基于系统逆动态特性的自适应控制方法，通过对系统 逆动态特性的学习和控制，实现系统的自适应控制。
自适应控制系统设计
系统建模
建立被控对象的数学模型，包括线性系统和非线性系统。
控制器设计
根据系统模型和性能指标，设计自适应控制器，包括线性自适应控制器和 非线性自适应控制器。
参数调整
根据系统运行状态和环境变化，调整控制器参数，以实现最优的控制效果 。
《现代控制理论基础》课件
预测控制
预测控制是一种基于模型预测 未来系统行为的控制方法。
控制器
控制器是控制系统中的核心 组件，负责计算并施加控制 信号。
操作对象
控制系统的操作对象可以是 各种各样的设备或系统，了 解操作对象的特性是设计有 效控制策略的基础。
模型化
系统状态方程
通过建立系统状态方程，我们 可以描述控制系统的动态行为。
传递函数
传递函数是描述输入和输出之 间关系的数学表达式，常用于 分析系统的频率响应。
通过绘制根轨迹来分析系统的稳定性和性能。
2 Nyquist法
利用Nyquist图来评估系统的稳定性和抗干扰能力。
鲁棒性设计
扰动抑制
了解如何设计鲁棒控制器来抑制 系统中的扰动。
鲁棒控制
鲁棒控制是一种能够保持系统稳 定性和性能的控制策略。
H∞控制
H∞控制是一种能够优化系统鲁 棒性和性能的控制策略。
非线性控制
《现代控制理论基础》PPT课件
现代控制理论基础是一门关于控制系统的基本概念、模型化、控制器设计、 稳定性分析、鲁棒性设计、非线性控制和优化控制的课程。通过本课程的学 习，您将掌握现代控制理论的基础知识和思想，并能够运用所学知识解决实 际控制问题。
控制系统基本概念
控制过程
了解控制过程是理解控制系 统工作原理的重要一步。
1 反馈线性化
通过反馈线性化技术，我们可以设计控制器来稳定非线性系统。
2 滑模控制
滑模控制是一种鲁棒而有效的非线性控制方法。
3 非线性规划
非线性规划方法可以用来优化非线性系统的控制策略。
优化控制
最优化法
最优化法是一种通过优化目标 函数来设计最优控制策略的方 法。
非线性规划
现代控制理论教案
现代控制理论理论教案绪论【教学目的】了解现代控制理论的基本原理及方法，以便进行系统分析与设计，同时为进一步学习现代控制理论打下较扎实的基础。
【教学重点】了解控制理论发展的三个阶段并掌握各阶段的主要任务。
【教学方法及手段】课堂教学【课外作业】阅读教材【学时分配】 2学时【教学内容】本教材绪论部分主要讲述了以下几个问题：一、控制理论发展简况1）古典控制理论：研究对象以单输入、单输出线性定常系统为主，以传递函数为系统的基本描述，以频率法和根轨迹法为主要分析与设计手段。
2）现代控制理论以状态状态空间模型为基础，可研究多输入、多输出、时变、非线性等各种对象；研究系统内部结构的关系提出了能控性、能观测性等重要概念，提出了不少设计方法。
3）大系统与智能控制阶段。
二、现代控制理论的基本内容(1)线性多变量系统理论。
这是现代控制理论中最基础、最成熟的部分。
它揭示系统的内在想律，从能控性、能观测性两个基本概念出发，研究系统的极点配置、状态观测器设计和抗干扰问题的一般理论。
(2)最优控制理论。
在被控对象数学模型已知的情况下，寻求一个最优控制规律(或最优控制函数)，使系统从某一个初始状态到达最终状态并使控制系统的性能在某种意义下是最优的。
(3)最优估计理论。
在对象数学模型已知的情况下，最优估计理论研究的问题是如何从被噪声污染的观测数据中，确定系统的状态，并使这种估计在某种意义下是最优的。
由于噪声是随机的，而且是非乎稳随机过程(随机序列)，这种憎况下的状态估计是卡尔曼提出和解决的，故又称卡尔曼滤波。
这种滤波方法是保证状态估计为线性无偏最小估计误差方差的估计。
(4)系统辨识与参数估计。
这是基于对象的输入、输出数据、在希望的估计准则下，建立与对象等价的动态系统(即建立对象的数学模型)，由于效学模型一船地说，是由阶致和参数决定的。
因此，要决定系统的阶数和参数(即参数估计)。
三、本课程的基本任务该课程是工业自动化专业的一门重要的专业基础课程。
现代控制理论(II)-讲稿课件ppt
03
通过具体例子说明最小值原理在最优控制问题中的应
用方法。
06 现代控制理论应用案例
倒立摆系统稳定控制
倒立摆系统模型建立
分析倒立摆系统的物理特性，建立数学模型，包括运动方程和状态 空间表达式。
控制器设计
基于现代控制理论，设计状态反馈控制器，使倒立摆系统实现稳定 控制。
系统仿真与实验
利用MATLAB/Simulink等工具进行系统仿真，验证控制器的有效性； 搭建实际实验平台，进行实时控制实验。
最优控制方法分类
根据性能指标的类型和求解方法， 最优控制可分为线性二次型最优控 制、最小时间控制、最小能量控制 等。
最优控制应用举例
介绍最优控制在航空航天、机器人、 经济管理等领域的应用实例。
05 最优控制理论与方法
最优控制问题描述
控制系统的性能指标
定义控制系统的性能评价标准，如时间最短、能量最小等。
随着网络技术的发展，分布式控制系统逐渐 成为现代控制理论的研究热点，如多智能体 系统、协同控制等。
下一步学习建议
01
02
03
04
深入学习现代控制理论相关知 识，掌握更多先进的控制方法
和技术。
关注现代控制理论在实际系统 中的应用，了解不同领域控制
系统的设计和实现方法。
加强实践环节，通过仿真或实 验验证所学理论知识的正确性
机器人运动学建模
分析机器人的运动学特性， 建立机器人运动学模型， 描述机器人末端执行器的 位置和姿态。
运动规划算法设计
基于现代控制理论，设计 运动规划算法，生成机器 人从起始点到目标点的平 滑运动轨迹。
控制器设计与实现
设计机器人运动控制器， 实现机器人对规划轨迹的 精确跟踪；在实际机器人 平台上进行实验验证。
《现代控制理论》 教案大纲
一、教案概述1.1 课程背景《现代控制理论》是自动化、电气工程及其相关专业的一门重要专业课程。
通过本课程的学习，使学生掌握自动控制系统的基本概念、基本原理和基本方法，培养学生分析和解决自动控制问题的能力。
1.2 教学目标（1）理解自动控制系统的数学模型，包括连续系统和离散系统；（2）掌握线性系统的时域分析法、频域分析法；（3）熟悉系统的稳定性、线性度、精确度等性能指标；（4）学会设计PID控制器、状态反馈控制器等；（5）培养学生运用现代控制理论分析和解决实际问题的能力。
二、教学内容2.1 自动控制系统的基本概念（1）自动控制系统的定义；（2）自动控制系统的类型；（3）自动控制系统的性能指标。
2.2 自动控制系统的数学模型（1）连续系统的数学模型；（2）离散系统的数学模型。
2.3 线性系统的时域分析法（1）系统的稳定性；（2）系统的线性度；（3）系统的精确度。
2.4 线性系统的频域分析法（1）系统的幅频特性；（2）系统的相频特性；（3）系统的裕度。
2.5 控制器的设计方法（1）PID控制器的设计；（2）状态反馈控制器的设计。
三、教学方法3.1 课堂讲授通过讲解、案例分析等方式，使学生掌握自动控制系统的相关理论知识。
3.2 实验教学通过自动控制实验，使学生了解和掌握自动控制系统的实际运行情况，提高学生分析和解决实际问题的能力。
3.3 讨论与交流组织学生进行小组讨论，分享学习心得，互相答疑解惑。
四、教学评价4.1 平时成绩包括课堂表现、作业完成情况、实验报告等。
4.2 期末考试包括选择题、填空题、计算题、简答题等，全面测试学生对课程知识的掌握程度。
五、教学资源5.1 教材《现代控制理论》，作者：张发展战略、李翠莲。
5.2 辅助教材《现代控制理论教程》，作者：王庆伟。
5.3 实验设备自动控制实验装置、示波器、信号发生器等。
5.4 网络资源相关在线课程、学术文章、论坛讨论等。
六、教学安排6.1 课时安排本课程共计32课时，包括16次课堂讲授，8次实验教学，8次讨论与交流。
现代控制理论第三章课程电子教案
现代控制理论强调数学建模、系统分析和优化，注重实际应用和工程实现，具有广泛的应用领域和重要的实际意 义。
现代控制理论的重要性
推动自动化技术发展
促进科技创新
现代控制理论是自动化技术的重要基 础，为工业自动化、智能制造等领域 提供了重要的理论支持和技术手段。
现代控制理论的发展和应用，推动了 科技创新和产业升级，为经济发展和 社会进步做出了重要贡献。
考试
期末闭卷考试，涵盖了课程的所有重点内容，包括系统建模、稳定性分析、状态反馈和 最优控制等。
学习效果评估
要点一
作业成绩
根据学生提交的作业，评估学生对控制理论知识的掌握程 度和应用能力。
要点二
考试成绩
根据期末考试成绩，评估学生对整个课程内容的掌握程度 。
教学改进建议
增加实践环节
为了提高学生的实际操作能力和 问题解决能力，建议增加实验或 实践环节，让学生亲自动手进行
课程目标
1
掌握现代控制理论的基本概念、原理和方法。
2
学会分析和设计控制系统，提高解决实际问题的 能力。
3
培养学生对控制理论的兴趣和热情，为后续学习 和工作打下基础。
02 现代控制理论概述
定义与特点
定义
现代控制理论是一门研究系统状态和行为变化规律的科学，通过数学模型和计算机仿真技术实现系统的分析和优 化。
状态转移矩阵的求解
02
通过系统的状态方程，求解状态转移矩阵，从而得到系统状态
的转移关系。
系统的稳定性分析
03
通过分析状态转移矩阵的性质，判断系统的稳定性，为后续控
制设计提供依据。
线性系统的状态反馈与极点配置
状态反馈控制器的设计
根据系统状态和期望的输出，设计状态反馈控制器，使得系统状态 能够跟踪期望的轨迹统的动态特性，实现系统性能的 优化。
现代控制理论(II)-讲稿-课件-ppt--3
现代控制工程基础 这种输出反馈系统的状态方程为 dX(t)/dt=AX(t)+Bu(t)=(A+BHC)X(t)+BGr(t) or X(k+1)=AX(k)+Bu(k)=(A+BHC)X(k)+BGr(k)
从而，这种输出反馈系统的传递函数矩阵为 从而，这种输出反馈系统的传递函数矩阵为(D=0)
GH ( s ) = C ( sI − ( A + BHC )) −1 BG
现代控制工程基础
例：设系统（A,B,C）为 设系统（ ）
0 1 A= , 1 0 0 B = , 1 C = [0 1]
试分析采用状态反馈K=[k1 k2]后的可控性和可观性。 后的可控性和可观性。 试分析采用状态反馈 后的可控性和可观性 解：容易验证原系统具有可控性和可观性，因为 容易验证原系统具有可控性和可观性，
*证明参见郭雷主编《控制理论导论》p51-55。 证明参见郭雷主编《控制理论导论》 证明参见郭雷主编 。
现代控制工程基础
（2）状态反馈保持系统的输入解耦零点不变 ） 证明：设原系统不完全可控， 是系统的一个不可控振型（ 证明：设原系统不完全可控，so是系统的一个不可控振型（系统的一 个特征值），即它是系统的一个输入解耦零点， 个特征值），即它是系统的一个输入解耦零点，就有 ），即它是系统的一个输入解耦零点 rank[soI-A B]<n 那么，根据状态反馈不改变系统的可控性性质， 那么，根据状态反馈不改变系统的可控性性质，就有 rank[soI- (A+BK) BG]=rank[soI-A B] <n 也是状态反馈系统的一个输入解耦零点，反之也然。 即 so也是状态反馈系统的一个输入解耦零点，反之也然。证毕
现代控制理论ppt课件
5.2 极点配置
设状态反馈系统希望的极点为 s1, s2, , sn
其特征多项式为
n
Δ*K (s) (s si ) sn an*1sn1 a1*s a0* i 1
选择 k使i 同次幂系数相同。有
K a0* a0 a1* a1 an*1 an1
而状态反馈矩阵 K KP k0 k1 kn1 9
βn-1sn1 βn-2sn2 β1s sn an-1sn1 a1s a0
β0
(s) (s)
引入状态反馈 u V Kx V KP1x V Kx
令
K KP 1 k0 k1 kn1
其中 k0 , k1, , kn1为待定常数
7
5.2 极点配置
0 1
0 0
5
5.2 极点配置
证明：充分性
线性定常系统
x Ax Bu
y
Cx
经过线性变换 x P1x ，可以使系统具有能控标准形。
0 1 0 0
x
0
0
1
0
0
x
u
0
0 0
1
a0 a1 an1
0 1
y β0 β1 βn1 x
6
5.2 极点配置
系统传递函数：g(s) C[sI A]1b C [sI A]1b
0 0 1 P 0 1 12
16
1 18 144
5.2 极点配置
0 0 1
k kP 4 66 140 1 12
1 18 144
14 186 1220
17
5.2 极点配置
方法二：
k k1 k2 k3
s k1 k2
k3
a*
(
s)
《现代控制理论基础》课件第0章
2. 现代控制理论的产生和发展 随着近代科学技术的突飞猛进，特别是空间技术和各类 高速飞行器的发展，使工程系统结构和完成的任务越来越复 杂，速度和精度也越来越高。这就要求控制理论能够解决动 态耦合的多输入多输出、非线性以及时变系统的设计问题。 此外，还常常要求系统的某些性能是最优的，并且要求有一 定的环境适应能力。这些新的控制要求都是经典控制理论所 无法解决的，因此，现代控制理论应运而生。
近半个世纪以来，现代控制理论已广泛应用于工业、农 业、交通运输及国防建设等各个领域。回顾控制理论的发展 历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入 电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。
0.1.2 现代控制理论与经典控制理论的差异 现代控制理论与经典控制理论的差异主要表现在研究对
另外，经典控制理论中，频率法的物理意义直观、实用， 但难于实现最优控制，现代控制理论则易于实现最优控制和 实时控制。
现代控制理论是在经典控制理论的基础上发展起来的。 虽然两者有本质的区别，但对动态系统进行分析研究时，两 种理论可以互相补充，相辅相成，而不是互相排斥。对初学 者来说，应采用与经典控制计。基于对象的输入、输出数据， 在希望的估计准则下，找到系统的阶数和参数，建立对象的 数学模型。
0.2 本书的主要内容
0.2.1 本书主要内容结构 现代控制理论主要研究线性系统状态的运动规律和改变
这种运动规律的可能性与方法，建立和揭示系统结构、参数、 行为及性能间的关系。通常，这可以分解为三个问题，即系 统数学模型的建立、系统运动规律的分析和致力于改变运动 规律的系统设计。基于控制理论的认识规律，本书内容安排 如下：
0.1.3 现代控制理论的研究内容及其分支 科学在发展，控制论也在不断发展。我们通常讲的现代
现代控制理论教学课件
数字仿真软件 介绍常用的数字仿真软件，如 MATLAB/Simulink等，并解释其 基本原理和使用方法。
数字仿真实验设计 详细说明数字仿真实验的设计方 法，包括如何建立系统模型、如 何设计控制器、如何设置仿真参 数等。
该方法能够全面地反映系统的性能，具有较强的适用性和实用 性。同时，该方法可通过实验手段进行验证，可靠性高。
设计过程相对较为复杂，需要一定的专业知识和经验。
适用于高阶系统和多变量系统的控制器设计，广泛应用于工程 实践中。
最优控制设计法
定义
最优控制设计法是一种基于最优化理论进行控制器设计的 方法。
缺点
现代控制理论阶段
自20世纪60年代开始，状态空间 法成为主导，适用于多输入多输 出、非线性、时变系统的分析与 设计。
现代控制理论的特点
状态空间描述
现代控制理论基于状态空间描述 ，通过状态变量全面反映系统内 部状态，提供更深入的系统分析
。
时域分析法
相比古典控制理论的频域分析法， 现代控制理论采用时域分析法，能 够直接反映系统的时间响应特性。
05
现代控制理论进阶知 识
系统的数学模型 ，包括微分方程、差分方程和状态方程等
。
A 非线性现象
介绍系统中的非线性现象，如死区 、饱和、滞后等，并分析其对系统
性能的影响。
B
C
D
非线性系统设计
探讨非线性控制系统的设计方法，如反馈 线性化、滑模变结构控制、反步法等。
稳定性分析
利用状态空间方程的特征值分析系统的稳定性，通过判断 特征值的分布来确定系统的稳定性。
西工大-现代控制理论课件
CHAPTER 02
现代控制理论的核心概念
系统建模
系统建模
通过数学模型描述系统的动态行为，是现代控制理论 的基础。
线性时不变系统
最常用的系统模型，其动态行为由微分方程或差分方 程描述。
状态空间模型
一种更全面的系统描述方式，包括系统的状态、输入 、输出及其相互关系。
状态空间分析
状态空ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ表示
将系统的动态行为从输入输出表示转化为状态空 间表示。
最优控制问题的解决方案，通常采用极值原理或动态规划方法求解。
CHAPTER 03
现代控制理论的应用
航空航天控制
无人机控制
利用现代控制理论实现对无人机 的精确控制，实现自主飞行、导 航、目标跟踪等功能。
卫星姿态控制
通过现代控制理论，实现对卫星 姿态的精确调整，确保卫星稳定 运行和有效载荷的正常工作。
工业自动化控制
智能制造
运用现代控制理论，实现生产线的自 动化、智能化，提高生产效率和产品 质量。
工业机器人
通过现代控制理论，实现对工业机器 人的精确控制，提高机器人作业的准 确性和灵活性。
机器人控制
自主移动机器人
利用现代控制理论，实现机器人的自主导航、避障、目标跟踪等功能。
机械臂控制
通过现代控制理论，实现对机械臂的精确控制，提高机械臂作业的准确性和效率 。
鲁棒控制
总结词
鲁棒控制是一种设计控制系统的技术， 旨在使系统在面对模型误差、参数变化 和不确定性时仍能保持稳定和良好的性 能。
VS
详细描述
鲁棒控制的主要思想是设计具有较强抗干 扰能力的控制系统，以应对各种不确定性 和扰动。鲁棒控制系统在工业控制、航空 航天和智能交通等领域具有广泛的应用价 值。
《现代控制理论》 教案大纲
《现代控制理论》教案大纲第一章：绪论1.1 课程背景与意义1.2 控制系统的基本概念1.3 控制理论的发展历程1.4 教学内容与目标第二章：线性控制系统的基本理论2.1 数学基础2.1.1 向量与矩阵2.1.2 复数与复矩阵2.1.3 拉普拉斯变换与Z变换2.2 线性微分方程2.3 线性差分方程2.4 线性系统的状态空间描述2.5 线性系统的传递函数2.6 小结第三章：线性控制系统的稳定性分析3.1 系统稳定性的概念3.2 劳斯-赫尔维茨稳定性判据3.3 奈奎斯特稳定性判据3.4 李雅普诺夫稳定性理论3.5 小结第四章：线性控制系统的性能分析与设计4.1 性能指标4.1.1 稳态性能4.1.2 动态性能4.2 控制器设计方法4.2.1 比例积分微分（PID）控制器4.2.2 状态反馈控制器4.2.3 观测器设计4.3 小结第五章：非线性控制系统理论5.1 非线性系统的基本概念5.2 非线性方程与非线性微分方程5.3 非线性系统的状态空间描述5.4 非线性系统的稳定性分析5.5 小结第六章：非线性控制系统的性能分析与设计6.1 非线性性能指标6.2 非线性控制器设计方法6.2.1 反馈线性化方法6.2.2 滑模控制方法6.2.3 神经网络控制方法6.3 小结第七章：鲁棒控制理论7.1 鲁棒控制的概念与意义7.2 鲁棒控制的设计方法7.2.1 定义1-范数方法7.2.2 H∞控制方法7.2.3 μ-综合方法7.3 小结第八章：自适应控制理论8.1 自适应控制的概念与意义8.2 自适应控制的设计方法8.2.1 模型参考自适应控制8.2.2 适应律与自适应律8.2.3 自适应控制器的设计步骤8.3 小结第九章：现代控制理论在工程应用中的案例分析9.1 工业过程控制中的应用9.2 控制中的应用9.3 航空航天领域的应用9.4 小结第十章：总结与展望10.1 现代控制理论的主要成果与贡献10.2 现代控制理论的发展趋势10.3 面向未来的控制挑战与机遇10.4 小结重点和难点解析重点环节一：第二章中向量与矩阵、复数与复矩阵、拉普拉斯变换与Z变换的数学基础。
《现代控制理论》 教案大纲
《现代控制理论》教案大纲第一章：绪论1.1 课程背景与意义1.2 控制系统的基本概念1.3 控制理论的发展历程1.4 控制理论的应用领域第二章：控制系统数学模型2.1 连续控制系统数学模型2.2 离散控制系统数学模型2.3 状态空间描述2.4 系统矩阵的性质与运算第三章：线性系统的时域分析3.1 系统的稳定性3.2 系统的瞬时性3.3 系统的稳态性能3.4 系统的动态性能第四章：线性系统的频域分析4.1 频率响应的概念4.2 频率响应的性质4.3 系统频率响应的求取方法4.4 系统频域性能指标第五章：线性系统的校正与设计5.1 系统校正的基本概念5.2 常用校正器及其特性5.3 系统校正的方法5.4 系统校正实例分析第六章：非线性控制系统分析6.1 非线性系统的基本概念6.2 非线性系统的数学模型6.3 非线性系统的稳定性分析6.4 非线性系统的控制策略第七章：状态反馈与观测器设计7.1 状态反馈控制的基本原理7.2 状态反馈控制器的设计方法7.3 观测器的设计与分析7.4 状态反馈控制系统应用实例第八章：先进控制策略8.1 鲁棒控制8.2 自适应控制8.3 最优控制8.4 智能控制第九章：最优控制理论9.1 最优控制的基本概念9.2 线性二次调节器（LQR）9.3 离散时间最优控制9.4 最优控制的应用第十章：现代控制理论在工程应用10.1 现代控制理论在自动化领域的应用10.2 现代控制理论在控制中的应用10.3 现代控制理论在航空航天领域的应用10.4 现代控制理论在其他领域的应用第十一章：鲁棒控制理论11.1 鲁棒控制的基本概念11.2 鲁棒控制的设计方法11.3 鲁棒控制的应用实例11.4 鲁棒控制在实际系统中的性能评估第十二章：自适应控制理论12.1 自适应控制的基本概念12.2 自适应控制的设计方法12.3 自适应控制的应用实例12.4 自适应控制在复杂系统中的应用与挑战第十三章：数字控制系统设计13.1 数字控制系统的概述13.2 数字控制器的设计方法13.3 数字控制系统的仿真与实验13.4 数字控制系统在实际应用中的案例分析第十四章：控制系统中的计算机辅助设计14.1 计算机辅助设计的基本概念14.2 控制系统CAD工具与方法14.3 基于软件的控制系统设计与仿真14.4 控制系统CAD在现代工程中的应用案例第十五章：现代控制理论的前沿与发展15.1 现代控制理论的最新研究动态15.2 控制理论与其他领域的交叉融合15.3 未来控制理论的发展趋势15.4 控制理论在解决现实世界问题中的潜力与挑战重点和难点解析本《现代控制理论》教案大纲涵盖了现代控制理论的基本概念、方法与应用，分为十五个章节。
《现代控制理论》PPT课件
精选ppt
8
4、控制理论发展趋势
❖ 企业：资源共享、因特网、信息集成、 信息技术+控制技术 (集成控制技术)
❖ 网络控制技术
❖ 计算机集成制造CIMS：（工厂自动化）
பைடு நூலகம்
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三、现代控制理论与古典控制理论的对比
❖ 共同 对象－系统 主要内容 分析：研究系统的原理和性能 设计：改变系统的可能性（综合性能）
❖ 现代控制理论 哈工大 机械专业硕研
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3.智能控制理论 （60年代末至今）
❖ 1970——1980 大系统理论 控制管理综合 ❖ 1980——1990 智能控制理论 智能自动化 ❖ 1990——21c 集成控制理论 网络控制自动化
(1) 专家系统；(2)模糊控制，人工智能 (3) 神经网络，人脑模型；(4)遗传算法 控制理论与计算机技术相结合→计算机控制技术
现代控制理论
Modern Control Theory
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绪论
❖ 学习现代控制理论的意义： 1.是所学专业的理论基础 2.是研究生阶段提高理论水平的重要环节。 3. 是许多专业考博士的必考课。
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一、控制的基本问题
❖ 控制问题：对于受控系统（广义系统）S，
寻求控制规律μ(t)，使得闭环系统满足给
现代控制理论发展的主要标志 (1)卡尔曼：状态空间法； (2)卡尔曼：能控性与能观性； (3)庞特里雅金：极大值原理；
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现代控制理论的主要特点
❖ 研究对象: 线性系统、非线性系统、时变系统、多 变量系统、连续与离散系统
❖ 数学上：状态空间法
CH1《现代控制理论》讲稿
《现代控制理论》讲稿……..侯媛彬第一章系统的状态空间模型要点：1 理解状态空间表示法发概念；2 熟悉状态空间图示法；3 学习连续系统的数学模型转换；4 了解离散系统的传递函数阵及其实现难点：连续系统的数学模型转换§1-1 状态空间表示法1.基本术语状态：完全能描述系统时域行为的一个最少变量组。
状态变量：是能构成系统状态的变量，能完全描述系统时域行为的一个最少变量组中的每一个变量。
状态空间：状态向量X（t）的所有可能值的集合在几何学上叫状态空间。
或说由x1轴、x2轴…x n轴所组成的n维空间称为状态空间。
状态空间中的每一个点，对应于系统的某一特定状态。
反过来，系统在任意时刻的状态都可用状态空间中的一个点来表示。
显然，系统在不同时刻下的状态，可用状态空间中的一条轨迹表示。
轨迹的形状，完全由系统在0t 时刻的初态)(0t x 0t t 时的输入函数，以系统本身的动力学特性所决定。
二、状态空间模型的一般形式在显得控制理论中，状态空间模型所能描述的系统可以是单输入单输出的，也可以是多输入多输出的。
状态空间表示式是一种采用状态描述系统动态行为（动态特性）的时域描述的数学模型。
它包含状态方程输出方程。
状态方程是一个一阶向量微分方程，输出方程是一个代数变换方程。
y 1 y 2y p图1-1 系统表示描述某一动态的一个状态向量x （t ）=[ x 1 x 2 x 3 …x n ]T （这里T 为矩阵的转置），如图1-1所示。
显然，该系统是n 阶系统，若系统有m 个输入u 1，u 2，u 3，…，u m ，有p 个输出y 1，y 2，y 3，…，y p ，且分别记u （t ）=[ u 1 u 2 u 3 …u n ]T 和y(t)= [y 1 y 2 y 3 …y p ]T 位输入和输出向量。
则系统的状态空间模型的一般形式为)),(),(()(t t u t x f t x =∙（1-1）)),(),(()(t t u t x t y Φ= （1-2） 式中，f=[ f 1 f 2 f 3 …f n ]T 是n 维函数向量；Φ是向量函数。
《现代控制理论》课程教案
《现代控制理论》课程教案第一章：绪论1.1 课程简介介绍《现代控制理论》的课程背景、意义和目的。
解释控制理论在工程、科学和工业领域中的应用。
1.2 控制系统的基本概念定义控制系统的基本术语，如系统、输入、输出、反馈等。
解释开环系统和闭环系统的区别。
1.3 控制理论的发展历程概述控制理论的发展历程，包括经典控制理论和现代控制理论。
介绍一些重要的控制理论家和他们的贡献。
第二章：数学基础2.1 线性代数基础复习向量、矩阵和行列式的基本运算。
介绍矩阵的特殊类型，如单位矩阵、对角矩阵和反对称矩阵。
2.2 微积分基础复习微积分的基本概念，如极限、导数和积分。
介绍微分方程和微分方程的解法。
2.3 复数基础介绍复数的基本概念，如复数代数表示、几何表示和复数运算。
解释复数的极坐标表示和欧拉公式。
第三章：控制系统的基本性质3.1 系统的稳定性定义系统的稳定性，并介绍判断稳定性的方法。
解释李雅普诺夫理论在判断系统稳定性中的应用。
3.2 系统的可控性定义系统的可控性，并介绍判断可控性的方法。
解释可达集和可观集的概念。
3.3 系统的可观性定义系统的可观性，并介绍判断可观性的方法。
解释观测器和状态估计的概念。
第四章：线性系统的控制设计4.1 状态反馈控制介绍状态反馈控制的基本概念和设计方法。
解释状态观测器和状态估计在控制中的应用。
4.2 输出反馈控制介绍输出反馈控制的基本概念和设计方法。
解释输出反馈控制对系统稳定性和性能的影响。
4.3 比例积分微分控制介绍比例积分微分控制的基本概念和设计方法。
解释PID控制在工业控制系统中的应用。
第五章：非线性控制理论简介5.1 非线性系统的特点解释非线性系统的定义和特点。
介绍非线性系统的常见类型和特点。
5.2 非线性控制理论的方法介绍非线性控制理论的基本方法，如反馈线性化和滑模控制。
解释非线性控制理论在实际应用中的挑战和限制。
5.3 案例研究：倒立摆控制介绍倒立摆控制系统的特点和挑战。
解释如何应用非线性控制理论设计倒立摆控制策略。
《现代控制理论》课程教案
《现代控制理论》课程教案一、教学目标1. 了解自动控制的基本概念、原理和方法。
2. 掌握线性系统的状态空间分析、传递函数分析和频率响应分析。
3. 熟悉现代控制理论的主要内容，包括最优控制、鲁棒控制和自适应控制等。
4. 学会运用现代控制理论解决实际工程问题。
二、教学内容1. 自动控制的基本概念：开环控制与闭环控制、稳定性、稳态误差、性能指标等。
2. 线性系统的数学模型：差分方程、微分方程、状态空间方程。
3. 状态空间分析：系统的可控性、可观测性、稳定性和性能分析。
4. 传递函数分析：劳斯-赫尔维茨准则、奈奎斯特准则、频率响应分析。
5. 最优控制：线性二次调节器、庞特里亚金最小原理、动态规划。
三、教学方法1. 讲授：讲解基本概念、原理和方法，结合实际案例进行分析。
2. 互动：提问、回答问题，引导学生思考和讨论。
3. 练习：课后作业、小测验，巩固所学知识。
4. 项目：分组完成控制系统设计项目，提高实际应用能力。
四、教学资源1. 教材：《现代控制理论》，作者：宋志坚。
2. 课件：PowerPoint演示文稿。
3. 辅助软件：MATLAB，用于分析和设计控制系统。
五、教学评价1. 平时成绩：课堂表现、作业、小测验（30%）。
2. 项目成绩：分组完成的项目（30%）。
3. 期末考试成绩：闭卷考试（40%）。
六、教学安排1. 课时：总共32课时，每课时45分钟。
2. 授课方式：课堂讲授与实践相结合。
3. 授课进度安排：自动控制的基本概念（2课时）线性系统的数学模型（3课时）状态空间分析（5课时）传递函数分析（4课时）最优控制（5课时）鲁棒控制与自适应控制（5课时）控制系统应用案例分析（2课时）七、教学案例1. 案例一：温度控制系统描述：某实验室需要保持恒定的温度，当温度超过设定值时，启动空调降温；当温度低于设定值时，启动暖气升温。
教学目的：分析系统的稳定性、可控性和可观测性，设计合适的控制器。
2. 案例二：无人驾驶汽车控制系统描述：无人驾驶汽车需要实现路径跟踪、速度控制和避障等功能。
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课程的主要内容和重点
控制 应用
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课程的主要内容和重点
• 主要内容：动态系统的状态空间描述、 线性系统动态分析、线性系统的能控性 和能观测性分析、李亚普诺夫稳定性分 析、状态反馈与状态观测器、最优控制 的基本理论及应用。 • 重点掌握：动态系统的状态空间描述、 线性系统的能控性、能观测性及稳定性 分析。
简记：
x x1 x2 xn
为n维状态向量; A为系统矩阵; B为输入矩阵； C为输出矩阵； D为关联矩阵；
Ax Bu x y C x Du
T
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教学方法和手段
利用多媒体展示信息
实物及仿真实验 分组讨论与提问
实际物理系统的数学模 型建立与分析
理论验证与设计 调试 复杂的原理和公式推导
3
课程的主要内容和重点
· 什么叫自动控制？
• 自动控制(automatic control)就是在没有人直接 参与的条件下，利用控制器使被控对象（如机 器、设备和生产过程）的某些物理量（或工作 状态）能自动地按照设定的规律运行（或变 化）。 • 身边的例子:洗衣机, 空调, 手机 (以生活中经常接触的产品为例，使学生容易接 受和理解自动控制的概念，同时给他们有思考 想象的空间人。)
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参考书籍
教学资源
控制期刊 自动化网站
/
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/ /zdkz
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课程考核
评分细则 100%
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3
课程的主要内容和重点
• 现代控制理论状态空间表达式的一般形式：
1 a11 a12 x 2 x a21 a22 n an1 an 2 x y c1 c2 a1n x1 b1 x b a2 n 2 2 u ann xn bn x1 x cn 2 Du xn
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教学资源
教材 教材内容的取舍
定义的实际物理意义及模型表达式， 精炼理论，内容体系合理 理论的推导讲解与证明；
古典控制与现代控制理论相结合，构 体现新知识、新技术和新方法 成完整系统 发挥学生主观思维能力
与工程结合起来，更具实用性
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5
教学资源
MATLAB仿真
ACCC-II 控制实验
过程性评价 40%
终结性评价 60%
学生出勤 课堂表现 10%
阶段测试 课后作业 15%
Matlab仿真 考核成绩
15%
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期末测试 60%
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本次课教学设计
复习上节课程“线性系统动态分析”的重 要知识点 以电路系统的建模引入课程内容 通过多媒体课件、电路系统建模、求解、 推导来引入能控、能观测性的概念。
2
课程目标
1、现代控制理论的建模方法-状态空 间表达式。 2、系统能控性、能观测性、稳定性等 等性能指标。 3、如何通过状态反馈与状态观测器设 设计和改进控制器 1、独立分析自动控制系统各种性能指标
知识目标
能力目标
2、自掌握动控制系统建模与分析的基本
方法。
3、设计和改进控制方法的能力。
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现代控制理论基础
(Control Modem Control Theory）
· 目录
I 1 II 2
III 3 IV 4 V 5 IV 6 V 7 课程性质及地位
课程目标
课程的主要内容与重点 教学方法和手段 教学资源 课程考核 本次课教学设计
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课程性质
课程性质及地位
《现代控制理论基础》课程是自动化、电气工程及自动
化等专业的核心专业课程。 本课程是《自控制原理》（分为“古典控制理论”和 “现代控制理论”）的一部分。 本课程从工程应用角度出发，以线性系统理论和最优 控制为主线，介绍现代控制理论的基本方法。 先修课程：高等数学、矩阵论、物理、自动控制原理等 后续课程：过程控制、自动控制系统、计算机控制技术 等。
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1
自动控制理论 系统建模 系统辨识 自适应控制 最优控制
课程性质及地位
本课程在自动化专业课程体系中的地位
PLC 单片机 DSP
电力电子技术 电机与拖动
+
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控制器
执行器
测控对象
信号处理
数字信号处理
检测变送
最核心、最重要的专 业课
传感器 检测与诊断 抗干扰技术 测量信号处理等
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