《非线性控制理论》课程教学大纲课程名称课程编码非线性控制理论CTRL508Nonlinear Control英文名称考核方式口考试√考查Theory口公共必修课学分2√专业必修课口公共选修课课程性质口专业选修课32总学时口补修课口其他口本研一体化课程口特色课程口学科交叉融合课程口全英文授课课程0课程特点实验学时口双语授课课程口案例课程口校企联合课程口其他先修课程（已具自动控制原理、现代控制原理、高等数学、线性代数、概率论、学术英语备知识能力）适用学科/专业控制科学与工程一级学科，电子信息（控制工程或人工智能）学位类别（领域）一、课程教学目标1.基础理论知识：使学生深入理解非线性控制理论的基本概念、原理和方法。包括但不限于非线性系统的稳定性分析（如Lyapunov稳定性）非线性控制器设计方法（如反馈线性化、自适应控制、滑模控制等）。2．理论与应用结合：培养学生将理论应用于实际工程问题的能力。学生应能够将所学的非线性控制理论应用于具体的工程系统中，例如机器人控制、飞行器控制、机械臂控制等。3.研究能力培养：通过课程学习和相关项目，提升学生的科研能力，使他们能够独立开展与非线性控制相关的研究工作，解决复杂的控制间题。4.数学工具使用：加强学生对数学工具的掌握，特别是与非线性系统分析和控制设计5
5 《非线性控制理论》课程教学大纲 课程名称 非线性控制理论 课程编码 CTRL508 英文名称 Nonlinear Control Theory 考核方式 □考试 √考查 课程性质 □公共必修课 √专业必修课 □公共选修课 □专业选修课 □补修课 □其他_ 学分 2 总学时 32 课程特点 □本研一体化课程 □特色课程 □学科交叉融合课程 □全英文授课课程 □双语授课课程 □案例课程 □校企联合课程 □其他_ 实验学时 0 先修课程（已具 备知识能力） 自动控制原理、现代控制原理、高等数学、线性代数、概率论、学术英语 适用学科/专业 学位类别（领域） 控制科学与工程一级学科，电子信息（控制工程或人工智能） 一、课程教学目标 1. 基础理论知识：使学生深入理解非线性控制理论的基本概念、原理和方法。包括但 不限于非线性系统的稳定性分析（如 Lyapunov 稳定性）、非线性控制器设计方法（如 反馈线性化、自适应控制、滑模控制等）。 2. 理论与应用结合：培养学生将理论应用于实际工程问题的能力。学生应能够将所学 的非线性控制理论应用于具体的工程系统中，例如机器人控制、飞行器控制、机械 臂控制等。 3. 研究能力培养：通过课程学习和相关项目，提升学生的科研能力，使他们能够独立 开展与非线性控制相关的研究工作，解决复杂的控制问题。 4. 数学工具使用：加强学生对数学工具的掌握，特别是与非线性系统分析和控制设计
相关的数学方法，如微分几何、变分法、李代数等。二、课程教学内容提要与基本要求理论部分序号学时教学内容提要基本要求线性与非线性系统的区别；非线性系统的描述与建模（如微分方程、状态空间模型）；常见非线性现象（饱和、死区、摩擦等）；非线性系统的基本分析方1非线性系统的基本概念4法目标：理解非线性系统的基本概念及其与线性系统的区别，掌握基本的非线性现象及其描述方法。Lyapunov稳定性理论；yapunov直接法及其应用LaSalle不变性原理；输入-状态稳定性（ISs）非线性系统的稳定性分24析目标：掌握Lyapunov稳定性理论及其在非线性系统中的应用，理解稳定性与不变性之间的关系。反馈线性化的基本原理；完全反馈线性化与部分反馈线性化；输入-输出线性化；反馈线性化的应用案反馈线性化与输入-输出3例4线性化目标：学习如何通过反馈线性化将非线性系统转化为线性系统，并了解其在实际控制中的应用。滑模控制的基本概念；滑模面设计与切换控制；滑模控制的鲁棒性分析：滑模控制的实际应用A滑模控制4目标：理解滑模控制的设计方法，掌握滑模控制在处理系统不确定性和外部干扰中的应用。自适应控制的基本概念；直接与间接自适应控制；MIT规则与Lyapunov法在自适应控制中的应用；自5自适应控制适应控制的应用案例4目标：学习自适应控制的基本原理及方法，能够设计适应环境变化的自适应控制器状态观测器的基本概念；扩展卡尔曼滤波（EKF)）;高增益观测器；非线性观测器的设计方法与应用6非线性观测器设计目标：掌握非线性系统中状态观测器的设计方法，理解其在实际控制中的作用
6 相关的数学方法，如微分几何、变分法、李代数等。 二、课程教学内容提要与基本要求 理论部分 序号 教学内容提要 基本要求 学时 1 非线性系统的基本概念 线性与非线性系统的区别；非线性系统的描述与建 模（如微分方程、状态空间模型）；常见非线性现象 （饱和、死区、摩擦等）；非线性系统的基本分析方 法 目标：理解非线性系统的基本概念及其与线性系统 的区别，掌握基本的非线性现象及其描述方法。 4 2 非线性系统的稳定性分 析 Lyapunov 稳定性理论；yapunov 直接法及其应用； LaSalle 不变性原理；输入-状态稳定性（ISS） 目标：掌握 Lyapunov 稳定性理论及其在非线性系统 中的应用，理解稳定性与不变性之间的关系。 4 3 反馈线性化与输入-输出 线性化 反馈线性化的基本原理；完全反馈线性化与部分反 馈线性化；输入-输出线性化；反馈线性化的应用案 例 目标：学习如何通过反馈线性化将非线性系统转化 为线性系统，并了解其在实际控制中的应用。 4 4 滑模控制 滑模控制的基本概念；滑模面设计与切换控制；滑 模控制的鲁棒性分析；滑模控制的实际应用 目标：理解滑模控制的设计方法，掌握滑模控制在 处理系统不确定性和外部干扰中的应用。 4 5 自适应控制 自适应控制的基本概念；直接与间接自适应控制； MIT 规则与 Lyapunov 法在自适应控制中的应用；自 适应控制的应用案例 目标：学习自适应控制的基本原理及方法，能够设 计适应环境变化的自适应控制器。 4 6 非线性观测器设计 状态观测器的基本概念；扩展卡尔曼滤波（EKF）； 高增益观测器；非线性观测器的设计方法与应用 目标：掌握非线性系统中状态观测器的设计方法， 理解其在实际控制中的作用。 4
微分几何基础知识（如流形、李代数）；非线性系统的几何描述；差分几何与反馈线性化；微分几何方微分几何方法在非线性7法的应用案例4控制中的应用目标：通过学习微分几何工具，增强对复杂非线性系统的理解，并掌握其在非线性控制设计中的应用。非线性控制领域的前沿研究（如非线性预测控制、网络化控制系统等）；实际工程中的非线性控制间题非线性控制的前沿课题与解决方案；非线性控制在机器人、无人机等领域84与应用的应用；课程总结与未来研究方向目标：了解非线性控制的最新研究进展，探索其在现代工程中的应用，启发学生的科研兴趣三、教学方法1.讲授法·系统讲解：教师系统性地讲解非线性控制理论的基础概念、数学工具和经典方法。重点放在理论推导、方法应用以及背后的物理意义上。·案例分析：通过实际案例（如机器人控制、无人机控制等）讲解非线性控制理论的应用，使学生能够将理论与实践结合。2.讨论与互动·课堂讨论：鼓励学生在课堂上提出间题、分享观点，针对复杂的非线性系统问题进行讨论，以激发学生的思考和创新。·小组合作：将学生分组讨论特定的非线性控制问题，鼓励团队合作，培养学生的协作能力和解决问题的能力。3.实践与实验·计算机仿真：利用Matlab、Simulink等工具进行仿真实验，学生可以通过仿真验证控制算法的有效性，并加深对理论的理解。·实验室项目：安排与课程内容相关的实验项目，让学生动手设计、实现和测试非线性控制器，巩固其动手能力和应用能力。4.案例研究与项目驱动·案例研究：通过分析和解决实际工程中的非线性控制间题，帮助学生理解和应用复杂的控制理论。·项目驱动学习：让学生选择感兴趣的非线性控制领域开展项目研究，从间题定义到最终实现，系统地应用所学知识。5.翻转课堂7
7 7 微分几何方法在非线性 控制中的应用 微分几何基础知识（如流形、李代数）；非线性系统 的几何描述；差分几何与反馈线性化；微分几何方 法的应用案例 目标：通过学习微分几何工具，增强对复杂非线性 系统的理解，并掌握其在非线性控制设计中的应用。 4 8 非线性控制的前沿课题 与应用 非线性控制领域的前沿研究（如非线性预测控制、 网络化控制系统等）；实际工程中的非线性控制问题 与解决方案；非线性控制在机器人、无人机等领域 的应用；课程总结与未来研究方向 目标：了解非线性控制的最新研究进展，探索其在 现代工程中的应用，启发学生的科研兴趣。 4 三、教学方法 1. 讲授法 系统讲解：教师系统性地讲解非线性控制理论的基础概念、数学工具和经典方法。 重点放在理论推导、方法应用以及背后的物理意义上。 案例分析：通过实际案例（如机器人控制、无人机控制等）讲解非线性控制理论的 应用，使学生能够将理论与实践结合。 2. 讨论与互动 课堂讨论：鼓励学生在课堂上提出问题、分享观点，针对复杂的非线性系统问题进 行讨论，以激发学生的思考和创新。 小组合作：将学生分组讨论特定的非线性控制问题，鼓励团队合作，培养学生的协 作能力和解决问题的能力。 3. 实践与实验 计算机仿真：利用 Matlab、Simulink 等工具进行仿真实验，学生可以通过仿真验证 控制算法的有效性，并加深对理论的理解。 实验室项目：安排与课程内容相关的实验项目，让学生动手设计、实现和测试非线 性控制器，巩固其动手能力和应用能力。 4. 案例研究与项目驱动 案例研究：通过分析和解决实际工程中的非线性控制问题，帮助学生理解和应用复 杂的控制理论。 项目驱动学习：让学生选择感兴趣的非线性控制领域开展项目研究，从问题定义到 最终实现，系统地应用所学知识。 5. 翻转课堂
·课前预习：学生课前自学相关内容，通过教师提供的视频、讲义或参考书完成预习。·课堂活动：课堂上进行讨论、练习和应用，将理论与实际案例结合，提高学生的参与度和学习效果。6.论文阅读与分析·文献综述：安排学生阅读与非线性控制相关的经典论文和最新研究成果，写作文献综述，提高其研究能力和学术写作水平。·论文讨论：组织学生分析和讨论所读论文，培养批判性思维，并了解该领域的研究前沿。7.考核与反馈·作业与测验：通过定期的作业和测验，考察学生对课程内容的理解，并给予及时反馈。·期末考试或项目报告：期末可能会通过笔试或项目报告的形式进行综合考核，以评估学生对非线性控制理论的整体掌握情况。四、课程思政内容1.阐述非线性控制理论在我国的发展历程及工程应用，引导学生树立正确的人生观价值观，增强使命感与荣誉感。2、让学生学习前沿科研文献，开展科研实训项目，学生也能够将科学方法紧扣实际应用需求，从而培养学生学好前沿技术知识的使命感和责任感，保持对科学的热爱和积极的探究精神。3、从中国科学家故事出发，挖掘思政元素，引出国家意识，树立文化自信、民族自豪感、歌颂自强不息的精神。4、从课程所涉专业、行业、国家、国际、文化、历史等角度，增加课程的知识性、人文性、提升引领性、时代性和开放性，加强社会主义核心价值观教育，培养学生的爱国主义情怀。5、从马克思主义哲学思想出发，挖掘思政元素，引导学生运用马克思主义观点分析间题，让学生懂得：学好辩证法是深入理解博奔理论的关键。五、教学目标达成与评价方式（说明：本课程支撑的知识获得、科研实践能力提升、创新能力提升等方面的教学目标达成与评价方式）4．教学目标1通过课堂讲授达成；达成情况通过报告评价；5.教学目标2通过课堂讲授与仿真实验达成；达成情况通过报告评价：6．教学目标3通过课堂讲授与仿真实验达成；达成情况通过报告评价；8
8 课前预习：学生课前自学相关内容，通过教师提供的视频、讲义或参考书完成预习。 课堂活动：课堂上进行讨论、练习和应用，将理论与实际案例结合，提高学生的参 与度和学习效果。 6. 论文阅读与分析 文献综述：安排学生阅读与非线性控制相关的经典论文和最新研究成果，写作文献 综述，提高其研究能力和学术写作水平。 论文讨论：组织学生分析和讨论所读论文，培养批判性思维，并了解该领域的研究 前沿。 7. 考核与反馈 作业与测验：通过定期的作业和测验，考察学生对课程内容的理解，并给予及时反 馈。 期末考试或项目报告：期末可能会通过笔试或项目报告的形式进行综合考核，以评 估学生对非线性控制理论的整体掌握情况。 四、课程思政内容 1. 阐述非线性控制理论在我国的发展历程及工程应用，引导学生树立正确的人生观、 价值观，增强使命感与荣誉感。 2、让学生学习前沿科研文献，开展科研实训项目，学生也能够将科学方法紧扣实际应 用需求，从而培养学生学好前沿技术知识的使命感和责任感，保持对科学的热爱和积极的探 究精神。 3、从中国科学家故事出发，挖掘思政元素，引出国家意识，树立文化自信、民族自豪 感、歌颂自强不息的精神。 4、从课程所涉专业、行业、国家、国际、文化、历史等角度，增加课程的知识性、人 文性、提升引领性、时代性和开放性，加强社会主义核心价值观教育，培养学生的爱国主义 情怀。 5、从马克思主义哲学思想出发，挖掘思政元素，引导学生运用马克思主义观点分析问 题，让学生懂得：学好辩证法是深入理解博弈理论的关键。 五、教学目标达成与评价方式 （说明：本课程支撑的知识获得、科研实践能力提升、创新能力提升等方面的教学目标达成 与评价方式） 4. 教学目标 1 通过课堂讲授达成；达成情况通过报告评价； 5. 教学目标 2 通过课堂讲授与仿真实验达成；达成情况通过报告评价； 6. 教学目标 3 通过课堂讲授与仿真实验达成；达成情况通过报告评价；
7.教学目标4通过课堂讲授与仿真实验达成；达成情况通过报告评价。六、课程成绩评定（说明：成绩组成部分，具体要求及成绩评定方法等。）考核方式考核方式成绩比例（%）备注学习表现30课堂互动、纪律、作业等20阶段小测实验完成情况、小组研讨、案例讨论等50报告大作业（论文）、实验报告、项目报告等七、建议教材与主要参考书建议教材：《Nonlinear Systems》 by Hassan K.Khalil。参考书：《Applied Nonlinear Control》by Jean-Jacques E.Slotine and WeipingLi;《Nonlinear Control Systems》byAlberto Isidori;《Lyapunov Stability and Control Theory: A Nonlinear Approach》byJingZhou,Zongli Lin八、编制与审核工作内容负责人完成时间纪毅编制（任课教师）2024.08.18审核（学科、专业负范军芳2024.08.18责人)批准（主管院长）刘宁2024.08.18O
9 7. 教学目标 4 通过课堂讲授与仿真实验达成；达成情况通过报告评价。 六、课程成绩评定 （说明：成绩组成部分，具体要求及成绩评定方法等。） 考核方式 考核方式 成绩比例（%） 备注 学习表现 课堂互动、纪律、作业等 30 阶段小测 实验完成情况、小组研讨、案例讨论等 20 报告 大作业（论文）、实验报告、项目报告等 50 七、建议教材与主要参考书 建议教材： 《Nonlinear Systems》 by Hassan K. Khalil。 参考书： 《Applied Nonlinear Control》 by Jean-Jacques E. Slotine and Weiping Li； 《Nonlinear Control Systems》 by Alberto Isidori； 《Lyapunov Stability and Control Theory: A Nonlinear Approach》 by Jing Zhou, Zongli Lin 八、编制与审核 工作内容 负责人 完成时间 编制（任课教师） 纪毅 2024.08.18 审核（学科、专业负 责人） 范军芳 2024.08.18 批准（主管院长） 刘宁 2024.08.18