現代控制理論基礎(南京理工大學提供的慕課課程)

現代控制理論基礎課程是南京理工大學於2017年09月30日首次在中國大學MOOC開設的慕課課程、國家級一流本科課程。該課程授課教師為徐勝元、李銀伢、馬倩、張保勇、錢龍軍、田楊、杜寶珠、戚國慶。據2020年8月中國大學MOOC官網顯示，該課程已開課10次。

現代控制理論基礎課程共4個模組，包括狀態變數模型、狀態變數反饋控制系統設計、數字控制系統、非線性控制系統分析等內容。

基本介紹

• 中文名：現代控制理論基礎
• 類別：慕課、國家級一流本科課程
• 提供院校：南京理工大學
• 授課平台：中國大學MOOC
• 開課時間：2016年2月15日（首次）
• 授課教師：徐勝元、李銀伢、馬倩、張保勇、錢龍軍、田楊、杜寶珠、戚國慶

課程性質

課程定位

現代控制理論基礎課程是自動化類專業繼控制工程基礎之後的主要專業基礎理論課，是整個專業培養過程中的一個重要環節。將使學生學習並掌握現代控制理論的分析和設計方法，為後續專業課程的學習打下基礎。

適應專業

現代控制理論基礎課程適合自動化類等專業學習。

開課信息

開課次數	開課時間	授課教師	學時安排	參與人數
第1次開課	2017年09月30日~2017年12月30日	徐勝元、李銀伢、張保勇、錢龍軍、田楊、杜寶珠、戚國慶	3~5小時每周	1385人
第2次開課	2018年06月01日~2018年07月31日		5小時每周	2271人
第3次開課	2018年10月20日~2018年12月30日			1019人
第4次開課	2019年03月01日~2019年06月30日	徐勝元、李銀伢、張保勇、田楊、杜寶珠、戚國慶		1417人
第5次開課	2019年09月10日~2019年12月30日	徐勝元、李銀伢、張保勇、錢龍軍、田楊、杜寶珠、戚國慶		1277人
第6次開課	2020年02月24日~2020年07月31日	徐勝元、李銀伢、馬倩、張保勇、錢龍軍、田楊、杜寶珠、戚國慶		1373人
第7次開課	2020年09月15日~2021年01月20日	徐勝元、李銀伢、馬倩、張保勇、錢龍軍、田楊、杜寶珠		702人

（註：表格內容參考資料）

課程簡介

現代控制理論基礎課程主要教學內容涉及狀態空間模型及系統設計、數字控制、非線性系統三大方面的內容。其中，狀態空間是現代控制理論的基石，突破經典控制理論的局限，將一個系統分解為輸入、輸出和狀態。輸出本身也是一個狀態，或者是狀態的一個組合。進而將線性、非線性、單變數、多變數、時變、時不變系統在數學描述上刻畫為一個統一的框架，為最優控制、自適應控制、模型預測控制等奠定了基礎。

授課目標

課程大綱

第1次開課大綱

1 狀態空間模型State Variable Models 1.1 引言 Introduction； 1.2 △動態系統的狀態變數 The State Variable of a Dynamic System; 1.3 △狀態微分方程 The State Differential Equation; 1.4 △狀態流圖模型 Signal-Flow Graph State Models; 1.5 狀態流圖模型的其他形式 Alternative Signal-Flow Graph State Models; 1.6 △由狀態方程求解傳遞函式 The Transfer Function from the State Equation; 1.7 △★狀態轉移矩陣和系統的時間回響 The Time Response and the State Transition Matrix; 1.8 ★離散時間回響的求解 A Discrete-Time Evaluation of the Time Response; 1.9 空間飛行器的狀態方程 The State Equation of Space Flight Vehicle; 1.10 設計實例：印表機皮帶驅動器 Design Example: Printer Belt Drive; 1.11 利用MATLAB分析狀態空間模型 Analysis of State Vehicles; 1.12 循序漸進的設計實例：磁碟驅動讀取系統 Sequential Design Example: Disk Drive Read System 2 狀態反饋控制 The Design of State Variable Feedback Systems 2.1 引言 Introduction; 2.2 △能控性 Controllability; 2.3 △能觀性 Observability; 2.4 最優控制系統 Optimal Control systems; 2.5 △★用狀態反饋配置極點 Pole Placement Using State Feedback; 2.6 Ackermann公式 Ackermann’s Formula 2.7 狀態反饋的局限性 Limitations of State Variable Feedback; 2.8 ★內模設計 Internal Model Design; 2.9 設計實例：自動檢測系統 Design Example: Automatic Test System; 2.10 用MATLAB設計狀態反饋 State Variable Feedback Design Using Matlab; 2.11 循序漸進的設計實例：磁碟驅動讀取系統 Sequential Design Example: Disk Drive Read System; 3 數字控制系統 Digital Control Systems 3.1 引言 Introduction; 3.2 數字計算機控制系統的套用 Digital Computer Control System Applications; 3.3 △採樣系統 Sampled-Data Systems; 3.4 △z變換 The z-Transform; 3.5 閉環反饋採樣系統 Closed-Loop Feedback Sampled-Data Systems;

3.6 △★z平面上的穩定性分析 Stability Analysis in the z-Plane; 3.7 △2階採樣系統的性能 Performance of a Sampled-Data, Second-Order System; 3.8 帶有數字控制器的閉環系統 Closed-Loop Systems with Digital Computer Compensation; 3.9 工作檯運動控制系統的設計 The Design of a Worktable Motion Control System; 3.10 數字控制系統的根軌跡 The Root Locus of Digital Control Systems; 3.11 數字控制器的實現 Implementation of Digital Controllers; 3.12 用MATLAB設計數字控制系統 Digital Control Systems Using Matlab; 3.13循序漸進的設計實例：磁碟驅動讀取系統Sequential Design Example: Disk Drive Read System 4 非線性控制系統分析 Analysis of Nonlinear Control Systems 4.1引言 Introduction; 4.1.1 ★非線性系統的特徵 The Characteristics of Nonlinear Systems; 4.1.2 非線性系統的分析與設計方法 The Analysis and Synthesis; 4.2 常見非線性特性及其對系統運動的影響 The Typical Nonlinearity and The Influences to System Characteristics 4.2.1 ★非線性特性的等效增益 Equivalent Gain of Nonlinearity 4.2.2 △★常見非線性因素對系統運動的影響 The Influences of the Typical Nonlinearity to System Characteristics 4.3 相平面法 Phase Plane Method; 4.3.1 相平面的基本概念 The Concepts Phase Plane; 4.3.2 相軌跡繪製的等傾線法 Phase Trajectory Drawing Method; 4.3.3 △線性系統的相軌跡 Phase Trajectory of Linear System; 4.3.4 △奇點和奇線 Singular Point and Singular Trajectory 4.3.5 △★非線性系統的相平面分析 Phase Plane Analysis of Nonlinear System; 4.4 描述函式法 Discribing Function Method; 4.4.1 △描述函式的基本概念 The Concepts of Discribing Function; 4.4.2 典型非線性特性的描述函式 Discribing Functions of Typical Nonlinearity; 4.4.2 △★非線性系統的描述函式分析 On Stability of Nonlinear System with Discribing Functions

（註：課程大綱排版從左到右列）

第2~5次開課大綱

1. 狀態變數模型 1.1引言+動態系統的狀態變數 1.2 狀態微分方程 1.3 信號流圖與框圖 1.4 其它形式的信號流圖與框圖 1.5 時間回響和狀態轉移矩陣 2. 狀態變數反饋控制系統設計 2.1 能控性和能觀測性 2.2全狀態反饋控制設計 2.3 觀測器設計 2.2 觀測器和全狀態反饋控制的集成 2.3 最優控制 2.4 內模設計 3. 數字控制系統

3.1 數字控制系統的基本概念 3.2 Z變換：離散信號 3.3 Z變換：離散系統 3.4 Z域上的穩定性和性能 3.5 數字控制系統的根軌跡 3.6數字控制器設計與實現 4. 非線性控制系統分析 4.1非線性系統概述 4.2典型非線性環節 4.3 線性系統的相軌跡 4.4 非線性系統的描述函式分析 4.5 描述函式與描述函式法 4.6 非線性系統的相平面分析

（註：課程大綱排版從左到右列）

第6~7次開課大綱

狀態變數模型 引言+動態系統的狀態變數 狀態微分方程 信號流圖與框圖 其它形式的信號流圖與框圖 時間回響和狀態轉移矩陣 State Variable Models【完整課件】 狀態變數模型單元作業 狀態變數模型單元測試 狀態變數反饋控制系統設計 能控性和能觀測性 全狀態反饋控制設計 觀測器設計 觀測器和全狀態反饋控制的集成 最優控制 內模設計 The Design of State Variable Feedback Systems【完整課件】 狀態變數反饋控制系統設計單元作業 狀態變數反饋控制系統設計單元測驗

數字控制系統 數字控制系統的基本概念 Z變換：離散信號 Z變換：離散系統 Z域上的穩定性和性能 數字控制系統的根軌跡 數字控制器設計與實現 Digital Control systems【完整課件】 數字控制系統單元作業 數字控制系統單元測試 非線性控制系統分析 非線性系統概述 典型非線性環節 線性系統的相軌跡 非線性系統的相平面分析 描述函式與描述函式法 非線性系統的描述函式分析 非線性控制系統分析【完整課件】 非線性控制系統分析單元作業 非線性控制系統分析單元測試

（註：課程大綱排版從左到右列）

課前預備

預備知識

學習現代控制理論基礎課程需具備高等數學、線性代數、電路、控制工程基礎的知識以及能夠使用Matlab及其控制系統工具箱。

學習資料

書名	作者	出版時間	出版單位
《Modern Control Systems （第十三版） 》	R.C. Dorf and R.H. Bishop	2018年	電子工業出版社
《Linear System Theory and Design （3Ed）》	R.C. Dorf and R.H. Bishop	2017年	Pearson
《Feedback Control of Dynamic Systems（第七版）》	Gene F. Franklin,J. David Powell and Abbas Emami-Naeini	2014年	Pearson
《自動控制原理（第七版）》	胡壽松	2019年	科學出版社
《Linear System Theory and Design (3Ed)》	Chi-Tsong Chen	1998年	Oxford University Press

（註：表格內容參考資料）

授課目標

1. 能夠識別自動化領域中的複雜工程問題，且能基於自然科學規律，具備運用微分方程、傳遞函式、狀態空間模型等理論和方法對複雜工程對象進行建模的能力。
2. 能夠運用現代控制理論的基本概念、模型、控制原理、最佳化方法等分析和解決自動化領域複雜工程問題。
3. 能夠運用現代控制理論的相關概念和專業術語對控制系統的特性進行正確的描述、分析，並能熟練運用自動化專業術語就自動化工程控制問題與業界同行及社會公眾進行交流與溝通。

所獲榮譽

2020年，該課程被中華人民共和國教育部認定為首批國家級一流本科課程。

教師簡介

該課程授課教師為南京理工大學教師團隊，其中徐勝元、馬倩、張保勇、錢龍軍四位教師為南京理工大學教授，李銀伢教師為南京理工大學研究員，田楊、杜寶珠兩位教師為南京理工大學副教授，戚國慶教師為南京理工大學副研究員。