《计算机控制系统》教学大纲

一、课程基本信息

课程名称/英文名称: 计算机控制系统/Computer Control System 课程代码: SI170
课程层次: 本科生课程 学 分/学 时: 4/64
主要面向专业: , 授课语言: 中英文
先修课程: 无 建议先修课程说明: 建议先修：控制原理、信号与系统、电路基础其中三者之一即可。
开课单位: 信息科学与技术学院 课程负责人: 白卫邦

二、课程简介

本课程主要面向专业方向包括机器人、自动化、控制科学与工程、电子信息、计算机、人工智能等。

计算机控制系统是信息时代智能控制最主要的形式，是研究机器人、“人-机-物”信息融合与控制、具生智能等前沿领域的核心技术，是人类社会自动化迈向信息化、智能化的关键。计算机控制系统是由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，即应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。《计算机控制系统》课程一般被定位为自动化专业高端专业课程中的理论核心课程之一，是本科专业基础理论的综合应用，同时还是自动控制理论实际应用的基础；也可以作为计算机科学与技术专业的选修课，以自动控制理论和计算机技术为基础，以计算机为控制工具，介绍计算机控制系统的基本理论知识和基本应用技术，是一门综合性较强的课程。在信息学院自动化与机器人中心，是与机器人学、控制科学与工程、自动化、人工智能等领域的基础方法、前沿设计与理论探索等，高度相关的核心专业类课程。

三、课程教学目标

计算机控制系统是信息时代智能控制最主要的形式，是研究机器人、“人-机-物”信息融合与控制、具生智能等前沿领域的核心技术，是人类社会自动化迈向信息化、智能化的关键。通过本课程的学习，希望能为培养学生对控制相关学科的基础理论方法、复杂前沿控制理论和控制器的设计开发能力、综合分析解决方案和研究探索能力等方面的综合提升奠定重要基础。同时，也期望能为学院控制类方向的学科体系建设和该方向的本科生人才培养，作出一定贡献。

由于计算机的引入，自动控制系统产生了一系列新的基本理论和分析设计方法，计算机控制系统的控制器离散但被控对象一般是连续的，包括模拟信号、离散模拟信号、数字信号等。故而信号变换与分析、离散化设计方法、实时数据采集、实时控制决策与输出等基础理论方法，离散控制系统的基本原理，数字采样控制的基本理论，成为计算机控制系统的基础。同时，基于计算机系统的处理能力，高阶复杂前沿的控制算法和控制器设计与应用也有了必要的保障。因此，高阶复杂前沿的控制理论方法学习与探索，也成为本课程体系的重要内容。

本课程基于计算机控制系统的综合优势，将在传统计算机控制系统课程内容的基础上，主要融合离散控制理论、最优控制理论、基于学习的控制方法等领域内容，聚焦当前基于计算机系统可实现的先进控制系统的结构、原理、设计、分析、应用等核心内容，试图体现高阶控制系统的系统性、先进性、理论性、实用性。期待通过本课程的学习，为培养学生分析问题、设计开发、科学研究和解决复杂控制系统的学科研究能力，以及控制领域工程设计开发解决方案能力，奠定坚实的基础；同时，也可以培养学生对复杂前沿问题的探索兴趣。

四、课程教学方法

课堂讲授基本概念和基本方法，采用启发式教学，培养学生提出问题，思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力。增设主要由助教辅助完成的讨论和答疑环节，调动学生学习的主观能动性。对重点难点章节安排习题作业，通过例题讲解帮助学生消化和巩固所学的知识。 本课程属于专业核心选修课，在教学中采用电子教案， PPT课件和板书相结合的形式，并适时借助软件进行现场演示，同时课程在相关章节也会适当设置小的实践项目，以增加学生实践探索能力和学习兴趣。

五、课程教学内容与安排

​​​​​​​章节名称

主要教学内容

（主要知识点）

教学周

学时安排

教学方法

（仅列名称）

I. Basics of Computer Control System

  • Introduction to computer control systems, merits and restrictions, the role of the computer in the automation system
  • Methods of data processing in computer
  • Sampling and Reconstruction, Sampled-data system, A/D and D/A converter
  • Discrete-Time Signal Analysis, Difference equations and solving methods, Z-transform and inverse Z-transform
  • Computer control and discrete-time system,  Stability of a Discretized System, Analysis of discrete time system, Design of Computer control system
  • Real-time Operating Systems and Distributed Control, Intelligent Control
  • State-space Representation
  • Solving the Time-Invariant State Equation, Solutions of state-space models
  • Controllability and Observability
  • Stability of state space controller and Lyapunov Methods
  • Basic System Identification, the Principle of Least Squares, Least Square Estimation, Observer and Observer Design

 1-6

24

Lecture
Homework

II. Optimal Control 

Basics of Optimal Control

  • 1. Formulation of optimal control problems
  • 2. Parameter optimization versus path optimization
  • 3. Local and global optima; general conditions on existence and uniqueness.
  • 4. Some basic facts from finite-dimensional optimization.
  • 5. The Euler-Lagrange equation
  • 6. Path optimization subject to constraints
  • 7. Weak and strong extrema

The Minimum (Maximum) Principle and the Hamilton-Jacobi Theory

  • 1. Pontryagin’s minimum principle
  • 2. Optimal control with state and control constraints
  • 3. Time-optimal control
  • 4. Singular solutions
  • 5. Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equation, and dynamical programming
  • 6. Viscosity solutions to HJB

Linear Quadratic Regulator(LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) Problems

  • 1. Finite-time and infinite-time state (or output) regulators
  • 2. Riccati equation and its properties
  • 3. Tracking and disturbance rejection
  • 4. Duality
  • 5. Discrete-time vs Continuous-time LQR
  • 6. The LQG problem and design

Quadratic Programming

  • 1. Quadratic Programming (QP)
  • 2. Hierachical Quadratic Programming (HQP)

7-10

16

Lecture 
Homework

III. Dynamic Programming


  • Introduction to DP and approximate DP
  • Finite horizon problems
  • The DP algorithm for finite horizon problems
  • Infinite horizon problems
  • Basic theory of discounted infinite horizon problems
  • Principle of optimality, Bellman equation
  • The general DP algorithm
  • Stochastic DP problem
  • Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) and verification
  • Linear-quadratic problem
  • Suboptimal control, Problem approximation approach, Parametric cost-to-go approximation
  • Model Predictive Control (MPC)
  • Value iteration (VI), policy iteration (PI)
  • Approximate Dynamic Programming and Reinforcement Learning

11-14

16

Lecture 
Homework

V. Learning-based Control

  • Artificial Neural Networks and Control Systems
  • Learning-based Control and Self-Adaptive Control
  • Iterative Learning Control
  • Reinforcement Learning and Optimal Control
  • Learning-based controller design for Robotic Systems
  • Intelligent Control of Computer Control System

15-16

8

Lecture

Mini-Project

六、考核方式和成绩评定方法

Attendance  		 5%
Homeworks 		35%  (Roughly every two weeks, about 7 times)
Small Projects		20%
Final Exam		40%

七、教材和参考书目

(一)、推荐教材

书名 作者 译者 出版社 出版年月 ISBN 版次
计算机控制系统 高金源, 夏洁 清华大学出版社 2007-01 9787302136002 1
最优控制：数学理论与智能方法 张杰, 王飞跃 清华大学出版社 2017-09 9787302479116 1
Dynamic Programming and Optimal Control Dimitri P. Bertsekas Athena Scientific 2017-01 1-886529-08-6 4

(二)、参考书目

书名 作者 译者 出版社 出版年月 ISBN 版次
Modern Digital Control Systems Raymond G. Jacquot 2019-01 9780203746721 2
Modern Control Systems Richard Dorf； Robert Bishop Pearson Education Limited 2021-10 978-1292422374 14

八、学术诚信教育

本课程高度重视学术诚信，严禁抄袭、作弊等行为。“在学习、科研、实习实践等活动中，学生应恪守学术道德，坚守学术诚信，保护知识产权，坚持勇于创新、求真务实的科学精神，努力培养自己严谨求实、诚实自律、真诚协作的科学态度，成为良好学术风气的维护者、严谨治学的力行者、优良学术道德的传承者。”（具体请参见《上海科技大学学生学术诚信规范与管理办法（试行）》文件要求，如果教师有更具体的要求，请详细列出。）

九、其他说明(可选)

目前课程大纲所列的各章节的主要知识点，可能根据课程进度与课时安排，有所调整、筛选或增减。

《Computer Control System》Syllabus

1.Basic course information

course name Computer Control System course code SI170
Course Level Undergraduate Credit/Contact Hour: 4/64
Major: , Teaching Language Chinese and English
Prerequisite NULL Prerequisite suggestion
School/Institute School of Information Science and Technology Instructor baiweibang

2.Course Introduction


				

			

			
			
3.Learning Goal

			

				

					

				

			

			
			
4.Instructional Pedagogy

			

				

					

				

			

			
			
5. Course Content and Schedule

			

				

					


				

			

			
			
6.Grading Policy

			

				

					

				

			

			
			
7. Textbook & Recommended Reading

			
(1) Textbook

			

				

					book name
					author
					translator
					press
					publication time
					ISBN
					edition
				

					

					    计算机控制系统
							
							高金源, 夏洁
						
							
							
						
							
							清华大学出版社
						
						
							2007-01
						
							
							9787302136002
						
						1
					

					

					    最优控制：数学理论与智能方法
							
							张杰, 王飞跃
						
							
							
						
							
							清华大学出版社
						
						
							2017-09
						
							
							9787302479116
						
						1
					

					

					    Dynamic Programming and Optimal Control
							
							Dimitri P. Bertsekas
						
							
							
						
							
							Athena Scientific
						
						
							2017-01
						
							
							1-886529-08-6
						
						4
					

			

			
(2) Recommended Reading

			

				

					book name
					author
					translator
					press
					publication time
					ISBN
					edition
				

					

					    Modern Digital Control Systems
							
							Raymond G. Jacquot
						
							
							
						
							
							
						
						
                            2019-01
						
							
							9780203746721
						
						2
					

					

					    Modern Control Systems
							
							Richard Dorf； Robert Bishop
						
							
							
						
							
							Pearson Education Limited
						
						
                            2021-10
						
							
							978-1292422374
						
						14
					

			

			
8.Academic Integrity

			

				

					

				

			

			
			
9.Other Information (Optional)