线性系统 教学大纲
《现代控制理论》课程教学大纲
一、课程基本信息
课程编号：0904002
课程中文名称：现代控制理论
课程英文名称：Modern Control Theory
课程性质：专业基础课程
考核方式：考试
开课专业：自动化、测控技术与仪器、电气工程及其自动化、探测制导与控制技术、生物医学工程
开课学期：6
总学时：48 （其中理论40学时，实验 8学时）
总学分：3
二、课程目的
《现代控制理论》是自动控制相关专业的一门重要的基础理论课程，与工程实践密不可分。内容主要涉及线性系统的状态空间分析与综合等。
课程目的是使学生掌握线性系统的状态空间基本分析与设计方法，为今后的学习奠定扎实的基础。学生通过继续学习相关课程，能够从事国民经济、国防和科研各部门的运动控制、过程控制、机器人智能控制、导航制导与控制、模式识别与智能系统、生物信息学、人工智能及神经网络、系统工程理论与实践、新型传感器、电子与自动检测系统、复杂网络与计算机应用系统等领域的科学研究、技术开发、教学及管理工作。
三、教学基本要求（含素质教育与创新能力培养的要求）
本课程要求学生既要有较好的线性代数及复变函数与积分变换等方面的工程数学基础，又要较好地掌握电路、模拟电子技术、自动控制元件以及自动控制理论等方面的理论技术基础。本课程将使学生掌握和了解以下主要基础理论和基本技能：
掌握线性多变量系统分析和设计的状态空间法；学习系统能控性、能观性、稳定性等基本概念及相关判断定理；掌握用状态空间法设计线性系统的一般方法。
在教学中，注重培养学生的分析问题和解决问题的能力。
四、教学内容与学时分配
第一章 绪论(2学时)
第二章 线性系统的状态空间描述（8学时）
状态空间描述的基本概念；线性时不变系统状态空间描述；输入输出描述转换为状态空
间描述；状态方程的对角型；状态空间描述的传递函数阵计算；特征多项式和特征值；线性系统在坐标变换下的特性；组合系统的状态空间描述。
重点：系统状态空间描述、状态空间的标准型、非奇异变换的不变性、组合系统的状态
空间描述。
难点：状态空间的概念及状态方程的建立；状态空间表达式的线性变换。
第三章 线性系统的运动分析（4学时）
线性定常系统的运动分析、线性时变系统的运动分析、状态转移阵。
重点：状态转移阵及其计算。
第四章 线性系统的能控性和能观性（8学时）
能控性和能观性的定义；能控性和能观性的判据；对偶原理；能控标准型和能观标准型；
线性系统的结构分解。
重点：能控性和能观性判据、线性系统的结构分解。
难点：理解能控性和能观性在系统分析与设计中的作用。
第五章 系统运动的稳定性（8学时）
外部稳定性和内部稳定性；李亚普诺夫意义下运动稳定性的基本概念；李亚普诺夫第二
法主要定理；系统运动稳定性判据。
重点：李亚普诺夫意义下稳定性的概念及稳定性判据。
难点：李亚普诺夫意义下稳定性的概念的建立。
第六章 线性反馈系统的时间域综合（10学时）
状态反馈和输出反馈；极点配置；状态反馈动态解耦；状态观测器；引入状态观测器的状态反馈系统特性。
重点：状态反馈、极点配置法设计线性控制系统。
难点：极点配置与系统性能的关系。
五、教学方法及手段（含现代化教学手段及研究性教学方法）
本课程理论性较强、内容广泛且抽象，讲述过程中应注意多举例。知识点要讲全，要注重灵活应用，必要时，辅以多媒体图形或曲线，帮助学生理解；重点例题讲透彻，掌握基本处理方法；启发学生，培养其解决综合性习题的能力，必要时进行讨论。
六、实验（或）上机内容
1. 旋转式倒立摆数学模型建立及极点配置控制算法设计(4学时)
建立旋转式倒立摆系统的动力学模型，并进行线性化，得出状态方程。分析系统的能控性、能观性及稳定性，利用极点配置算法设计状态反馈控制器，利用Matlab 进行系统仿真，并进行实际系统调试，总结期望极点位置对系统性能的影响。
2. 旋转式倒立摆状态观测器设计(4学时)
设计旋转式倒立摆系统状态观测器，并利用极点配置算法设计状态反馈控制器，利用Matlab 进行对倒立摆系统仿真，分析引入状态观测器对系统性能的影响。
七、先修课程
先修课程：微积分A 、线性代数与解析几何A 、复变函数与积分变换、电工基础、大学物理A 、自动控制元件、自动控制理论等。
八、教材及主要参考资料
教材：
[1] 郑大钟. 线性系统理论[M].清华大学出版社，2002
主要参考资料：
[1] 段广仁. 线性系统理论[M].哈尔滨工业大学出版社，2004.
[2] 陆军，王晓陵. 线性系统理论 [M].哈尔滨工程大学出版社. 2006.
[4] 胡寿松. 自动控制原理(第五版) [M].科学出版社，普通高等教育“十一五”国家级规划教材. 2007..
[4] 李友善. 自动控制原理(第三版) [M].国防工业出版社，2008.
九、课程考核方式
闭卷考试，其中卷面成绩占总成绩的100%，无平时成绩。