《现代控制理论》课程教学大纲课程名称ME5004现代控制理论课程编码英文名称Modern Control Theory考核方式口考试口考查口公共必修课2学分专业必修课口公共选修课课程性质口专业选修课总学时32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课程特点实验学时0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《控制工程基础》、《线性代数》、《矩阵论》备知识能力）适用学科/专业机械工程/机械类学位类别（领域）一、课程教学目标本课程为机械工程专业的学位课程，其任务是在经典控制理论的基础上进一步加深、扩展和提高学生在控制理论方面的基础知识，使学生较为全面地了解和掌握控制理论的基本内容。主要包括：系统状态空间表达式：状态空间表达式的求解：系统能控性、能观性和稳定性分析。通过本课程的学习，使机械工程专业的研究生能够初步掌握有关现代控制理论的基本知识及其分析方法，能够运用状态空间分析法正确建立各类典型系统的数学模型，掌握分析各类系统模型的方法对系统进行性能分析，并且能够通过状态反馈、极点配置和状态观测器构造等方法，进行复杂系统的综合与设计，培养学生从事系统分析和研究的能力29
29 《现代控制理论》课程教学大纲 课程名称 现代控制理论 课程编码 ME5004 英文名称 Modern 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） 《控制工程基础》、《线性代数》、《矩阵论》 适用学科/专业 学位类别（领域） 机械工程/机械类 一、课程教学目标 本课程为机械工程专业的学位课程，其任务是在经典控制理论的基础上进一步加深、扩 展和提高学生在控制理论方面的基础知识，使学生较为全面地了解和掌握控制理论的基本内 容。主要包括：系统状态空间表达式；状态空间表达式的求解；系统能控性、能观性和稳定 性分析。 通过本课程的学习，使机械工程专业的研究生能够初步掌握有关现代控制理论的基本知 识及其分析方法，能够运用状态空间分析法正确建立各类典型系统的数学模型，掌握分析各 类系统模型的方法对系统进行性能分析，并且能够通过状态反馈、极点配置和状态观测器构 造等方法，进行复杂系统的综合与设计，培养学生从事系统分析和研究的能力
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学时基本要求绪论了解的控制理论的性质、发展及应用，掌0.1控制理论的性质握控制一个动态系统的基本步骤0.2控制理论的发展210.3控制理论的应用0.4控制一个动态系统的几个基本步骤控制系统的状态空间表达式掌握系统状态空间表达式的建立方法、从1.1状态变量及状态空间表达式状态空间表达式求传递函数阵的方法，以1.2状态变量及状态空间表达式及系统状态空间表达式的时域求解方法。的模拟结构图1.3状态变量及状态空间表达式的建立(一)2X1.4状态变量及状态空间表达式的建立(二)1.5状态失量的线性变换（坐标变换)1.6从状态空间表达式求传递函数阵控制系统状态空间表达式的解掌握能控性和能观性的定义、线性系统能2.1线性定常齐次状态方程的解控性和能观性的判定方法，理解能控能观(自由解)性的对偶关系，线性系统的结构分解及传2.2矩阵指数函数一一状态转移3递函数矩阵的实现问题。4矩阵2.3线性定常系统非齐次方程的解线性控制系统的能控性和能观性掌握李雅普诺夫关于稳定性的定义、李雅3.1能控性的定义普诺夫方法在线性系统中的应用，了解李Y3.2线性定常系统的能控性判别雅普诺夫方法在非线性系统中的应用。83.3线性连续定常系统的能观性3. 6能控性与能观性的对偶关系30
30 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 绪论 0.1 控制理论的性质 0.2 控制理论的发展 0.3 控制理论的应用 0.4 控制一个动态系统的几个基 本步骤 了解的控制理论的性质、发展及应用，掌 握控制一个动态系统的基本步骤 2 2 控制系统的状态空间表达式 1.1 状态变量及状态空间表达式 1.2 状态变量及状态空间表达式 的模拟结构图 1.3 状态变量及状态空间表达式 的建立(一) 1.4 状态变量及状态空间表达式 的建立(二) 1.5 状态矢量的线性变换(坐标 变换) 1.6 从状态空间表达式求传递函数 阵 掌握系统状态空间表达式的建立方法、从 状态空间表达式求传递函数阵的方法，以 及系统状态空间表达式的时域求解方法。 8 3 控制系统状态空间表达式的解 2.1 线性定常齐次状态方程的解 (自由解) 2.2 矩阵指数函数——状态转移 矩阵 2.3 线性定常系统非齐次方程的 解 掌握能控性和能观性的定义、线性系统能 控性和能观性的判定方法，理解能控能观 性的对偶关系，线性系统的结构分解及传 递函数矩阵的实现问题。 4 4 线性控制系统的能控性和能观性 3.1 能控性的定义 3.2 线性定常系统的能控性判别 3.3 线性连续定常系统的能观性 3.6 能控性与能观性的对偶关系 掌握李雅普诺夫关于稳定性的定义、李雅 普诺夫方法在线性系统中的应用，了解李 雅普诺夫方法在非线性系统中的应用。 8
3.7状态空间表达式的能控标准型与能观标准型3.8线性系统的结构分解3.9传递函数阵的实现问题3.10传递函数中零极点对消与状态能控性和能观性之间的关系稳定性与李雅普诺夫方法掌握线性反馈控制系统的基本结构及其特4.1李雅普诺夫关于稳定性的定点、极点配置、状态观测器的设计，理解义系统镇定性问题及解藕控制问题。4.2李雅普诺夫第一法54.3李雅普诺夫第二法64.4李雅普诺夫方法在线性系统中的应用4.5李雅普诺夫方法在非线性系统中的应用线性定常系统的综合了解和掌握线性定常系统综合设计的基本5.1线性反馈控制系统的基本结概念和基本方法。构及其特性65.2极点配置间题45.3系统镇定间题5.4系统解耦间题5.5状态观测器实验部分学实验内容、要求及时间安排、仪器要必开/实验序号实验项目名称时求类型选开三、教学方法课堂教学以案例教学为主，注重实际工程的引入。教师在课堂教学中为学生展示实践活动成果设置专门的时间，以激发学生的主动学习精神。由于课程需要前期的基础知识，学生的水平参差不齐，学生以小组为单位，辅以在任务驱动下的教学活动；作业的数量按学生完成作业时间与听课时间之比为1：1安排，提高学生们的工程意识与实践技能。31
31 3.7 状态空间表达式的能控标准 型与能观标准型 3.8 线性系统的结构分解 3.9 传递函数阵的实现问题 3.10 传递函数中零极点对消与 状态能控性和能观性之间的关系 5 稳定性与李雅普诺夫方法 4.1 李雅普诺夫关于稳定性的定 义 4.2 李雅普诺夫第一法 4.3 李雅普诺夫第二法 4.4 李雅普诺夫方法在线性系统 中的应用 4.5 李雅普诺夫方法在非线性系 统中的应用 掌握线性反馈控制系统的基本结构及其特 点、极点配置、状态观测器的设计，理解 系统镇定性问题及解藕控制问题。 6 6 线性定常系统的综合 5.1 线性反馈控制系统的基本结 构及其特性 5.2 极点配置问题 5.3 系统镇定问题 5.4 系统解耦问题 5.5 状态观测器 了解和掌握线性定常系统综合设计的基本 概念和基本方法。 4 实验部分 序号 实验项目名称 学 时 实验内容、要求及时间安排、仪器要 求 必开/ 选开 实验 类型 三、教学方法 课堂教学以案例教学为主，注重实际工程的引入。教师在课堂教学中为学生展示实践活 动成果设置专门的时间，以激发学生的主动学习精神。 由于课程需要前期的基础知识，学生的水平参差不齐，学生以小组为单位，辅以在任务 驱动下的教学活动； 作业的数量按学生完成作业时间与听课时间之比为 1：1 安排，提高学生们的工程意识 与实践技能
四、课程思政内容1.通过介绍现代控制理论及控制技术的发展史，讲述我国控制论的奠基人钱学森的高尚爱国情操和卓越的专业贡献。讲述新中国工业控制领域，比如航天、钢铁、机器人制造等领域的成就；讲述中国的工业4.0和两化（自动化和信息化）融合的中国制造2025，以及我国由制造大国向制造强国转变的机遇与挑战；激发学生热爱祖国、热爱事业的情怀；2.在讲授控制系统的数学模型时，介绍以状态变量、状态空间表达式、输出方程的模型建立，系统矩阵的坐标变换映射自由、平等、诚信、公正、法制原则。系统矩阵的坐标变换只是系统的不同表现形式，可以以不同的方式反映系统的性能，告诉我们对待问题要学会变换角度思考，在企业生产中，也许换个角度去思考，改变其中的一个因素，可能我们就能跳出困境，为企业创造不匪的效益；同时教会我们在人与人相处时，必须互相尊重，遵守自由、平等、诚信、友爱、公正的原则。要学会换位思考，人与人之间才可以融洽、和谐相处。3.在讲解多变量系统的控制间题时，通过介绍多变量系统输出受不同输入的影响，由此引出信息技术高度发展的今天，国与国之间都是相互影响的，中国在技术上还很大程度上依赖于发达国家，为避免被动挨打，创新发展才是硬道理。4.在讲解系统的能控性时，系统能控性指的是控制作用对被控系统的状态和输出进行控制的可能性，能观性反映由能直接测量的输入输出的量测值来确定反映系统内部动态特性的状态的可能性。通过控制系统能控性的学习，告诉学生只有通过不断地输入新知识、提升自己，自身的努力付出，才可以创造出可期的未来；通过能观性的学习教会学生要珍惜自己的当下，虽然以后的道路不是一帆风顺的，但要相信行而不锻，则未来可期。5.在讲授控制系统的稳定性分析时，通过分析控制系统稳定的重要性，引导学生认识社会稳定的重要意义及自身责任。稳定性是系统能够正常运行的首要条件，只有当系统是稳定的，讨论系统的能控性和能观性才有意义。对于社会这个大系统也是一样。社会稳定是第一要务，只有稳定的社会环境，人民才能安居乐业，国家才能更好地进行物质文明、精神文明建设。在当前形势下，维护社会稳定是大学生义不容辞的义务，小到“宿舍的稳定”“班级的稳定”“家庭的稳定”，大到“学校的稳定”“社会的稳定”“国家的安全稳定”，从而为实现国家“富强、民主、文明、和谐”尽自己的努力，做出应有的贡献；6．在讲解控制系统的极点配置、系统镇定与设计状态观测性时，告诉学生要加强自身能力的提高，做任何事情一定事先做好充分准备，才能以不变应万变，遇到突发事件保持沉着冷静，事情才能朝着自己期望的方向发展。五、教学目标达成与评价方式1.教学目标1：能够运用状态空间分析法正确建立各类典型系统的数学模型，通过教师课堂教学及学生参与讨论方式达成；达成情况通过课后作业、期末考试的方式进行评价；32
32 四、课程思政内容 1.通过介绍现代控制理论及控制技术的发展史，讲述我国控制论的奠基人钱学森的高尚 爱国情操和卓越的专业贡献。讲述新中国工业控制领域，比如航天、钢铁、机器人制造等领 域的成就；讲述中国的工业 4.0 和两化（自动化和信息化）融合的中国制造 2025，以及我 国由制造大国向制造强国转变的机遇与挑战；激发学生热爱祖国、热爱事业的情怀； 2.在讲授控制系统的数学模型时，介绍以状态变量、状态空间表达式、输出方程的模型 建立，系统矩阵的坐标变换映射自由、平等、诚信、公正、法制原则。系统矩阵的坐标变换 只是系统的不同表现形式，可以以不同的方式反映系统的性能，告诉我们对待问题要学会变 换角度思考，在企业生产中，也许换个角度去思考，改变其中的一个因素，可能我们就能跳 出困境，为企业创造不匪的效益；同时教会我们在人与人相处时，必须互相尊重，遵守自由、 平等、诚信、友爱、公正的原则。要学会换位思考，人与人之间才可以融洽、和谐相处。 3．在讲解多变量系统的控制问题时，通过介绍多变量系统输出受不同输入的影响，由 此引出信息技术高度发展的今天，国与国之间都是相互影响的，中国在技术上还很大程度上 依赖于发达国家，为避免被动挨打，创新发展才是硬道理。 4. 在讲解系统的能控性时，系统能控性指的是控制作用对被控系统的状态和输出进行 控制的可能性，能观性反映由能直接测量的输入输出的量测值来确定反映系统内部动态特性 的状态的可能性。通过控制系统能控性的学习，告诉学生只有通过不断地输入新知识、提升 自己，自身的努力付出，才可以创造出可期的未来；通过能观性的学习教会学生要珍惜自己 的当下，虽然以后的道路不是一帆风顺的，但要相信行而不辍，则未来可期。 5.在讲授控制系统的稳定性分析时，通过分析控制系统稳定的重要性，引导学生认识社 会稳定的重要意义及自身责任。稳定性是系统能够正常运行的首要条件，只有当系统是稳定 的，讨论系统的能控性和能观性才有意义。对于社会这个大系统也是一样。社会稳定是第一 要务，只有稳定的社会环境，人民才能安居乐业，国家才能更好地进行物质文明、精神文明 建设。在当前形势下，维护社会稳定是大学生义不容辞的义务，小到“宿舍的稳定”“班级 的稳定”“家庭的稳定”，大到“学校的稳定”“社会的稳定”“国家的安全稳定”，从而为实 现国家“富强、民主、文明、和谐”尽自己的努力，做出应有的贡献； 6. 在讲解控制系统的极点配置、系统镇定与设计状态观测性时，告诉学生要加强自身 能力的提高，做任何事情一定事先做好充分准备，才能以不变应万变，遇到突发事件保持沉 着冷静，事情才能朝着自己期望的方向发展。 五、教学目标达成与评价方式 1.教学目标 1：能够运用状态空间分析法正确建立各类典型系统的数学模型，通过教师 课堂教学及学生参与讨论方式达成；达成情况通过课后作业、期末考试的方式进行评 价；
2.教学目标2：能够对各类典型系统的性能分析，主要通过学生以小组为单位，辅以在任务驱动下的教学活动方式达成；达成情况通过课堂的讲解表现、课后作业、期末考试的方式进行评价；3.教学目标3：对各类典型系统的性能综合设计，通过教师课堂教学及学生参与讨论方式达成：达成情况通过课后作业、期末考试的方式进行评价。六、课程成绩评定课程成绩组成由期末考试和平时成绩两部分组成；期末考试成绩占60%；平时成绩：上课中的学生参与教学活动表现占20%、作业占10%、考勤占10%，共计占40%，总分100分。七、建议教材与主要参考书建议教材：刘豹主编.《现代控制理论》（第3版）[M]，机械工业出版社.2020.5参考书：1.吴麒．《自动控制原理》（第2版）[M]，清华大学出版社.2016.102.赵明旺.《现代控制理论》[M]，华中科技大学出版社.2020.1八、编制与审核工作内容负责人完成时间陈秀梅2024年6月编制（任课教师）审核（学科、专业负2024年8月责人）彭宝茂批准（主管院长）2024年8月33
33 2.教学目标 2：能够对各类典型系统的性能分析，主要通过学生以小组为单位，辅以在 任务驱动下的教学活动方式达成；达成情况通过课堂的讲解表现、课后作业、期末考 试的方式进行评价； 3.教学目标 3：对各类典型系统的性能综合设计，通过教师课堂教学及学生参与讨论方 式达成；达成情况通过课后作业、期末考试的方式进行评价。 六、课程成绩评定 课程成绩组成由期末考试和平时成绩两部分组成； 期末考试成绩占 60%； 平时成绩：上课中的学生参与教学活动表现占 20%、作业占 10%、考勤占 10%，共 计占 40%，总分 100 分。 七、建议教材与主要参考书 建议教材：刘豹主编.《现代控制理论》（第 3 版）[M],机械工业出版社.2020.5 参考书： 1. 吴麒.《自动控制原理》（第 2 版）[M],清华大学出版社.2016.10 2 .赵明旺.《现代控制理论》[M],华中科技大学出版社.2020.1 八、编制与审核 工作内容 负责人 完成时间 编制（任课教师） 陈秀梅 2024 年 6 月 审核（学科、专业负 责人） 2024 年 8 月 批准（主管院长） 2024 年 8 月