系统工程答案（系统工程-第四章）

第四章系统科学理论概述

第一节一般系统论

1947年,奥地利生物学家贝塔朗菲创立了《系统论》这门学科。一般系统论的创始人。

基本观点:

1、系统观点：一切有机体都是一个整体（系统）

2、动态观点：一切有机体本身都处于积极运动的状态

3、等级观点：各种有机体都按严格的等级组织起来。处于不同层次上的要素具有不同功能，而处于同一层次的事物，都具有类似的结构和功能。系统就是由结构和功能组成的统一体。同一等级的结构具有同一等级的功能，而不同等级的结构则表现出不同等级的功能。

第二节控制论

1948年,美国数学家维纳创立了《控制论》这门学科。

控制论是研究系统各个子系统如何进行组织，以便实现系统的稳定和有目的的行为。控制论是研究系统的调节与控制的一般规律的科学。

1、控制的过程:

制定标准;衡量绩效;对照比较;纠正偏差。

2、控制论的三个发展阶段：

（1）20世纪50年代末期以前：第一阶段--经典控制论阶段

研究对象：单输入和单输出的线性控制系统的一般规律

研究重点：反馈控制

核心装置：自动调节器

主要应用：单机自动化

（2）50年代末期至70年代初期：第二阶段--现代控制论阶段

研究对象：多输入和多输出的非线性控制系统

研究重点：最优控制、随机控制、自适应控制

主要应用：机组自动化和生物系统

（3）70年代初期至现在：第三阶段--大系统理论阶段

研究对象：众多因素复杂的控制系统

研究重点：大系统的多级阶梯控制、分解--协调原理、分散最优控制、大系统模型降阶理论

3、控制只发生于以下三种系统:

生命系统

社会经济系统

人造物质系统

对系统控制的前提:系统有多个可能状态。

4、控制论的具体内容

（1）.最优控制理论--现代控制论的核心

这一理论是通过数学方法,科学、有效地解决大系统的设计和控制问题,强调采用动态的控制方式和方法,以满足各种多输入和多输出系统的控制要求,实现系统最优化。

（2）自适应、自学习、自组织系统理论

➢自适应系统 自适应控制系统是一种前馈控制的系统，所谓前馈控制，是指环境

条件还没有影响到控制对象之前，就进行预测而去控制的一种方式。

➢自学习系统 自学习系统就是系统具有能够按照自己运行过程中的经验来改进控

制算法的能力,它是自适应系统的一个延伸和发展。

➢自组织系统自组织系统就是能根据环境变化和运行经验来改变自身结构和行为

参数的系统。

（3）模糊理论

➢这是在模糊数学的基础 上形成的一种新型的数理理论,主要是用来解决些不确定性的问题。

（4）大系统理论

➢这是现代控制论最近发展的一 个新的重要领域。它是以规模庞大、结构复杂、目标多样、功能综合、因素繁多的各种工程或非工程的大系统问题作为研究对象。大系统理论所要研究的问题,主要是大系统的最优化。

➢例如，人口系统控制，区域经济系统控制，大型企业生产过程控制等

第三节信息论

1948年,美国科学家提出申农了《信息论》这门学科。

1、信息的定义

狭义一一消息、 情报、指令、数据和信号等有关周围环境的知识。

广义一事物存在的方式或运动状态以及这种方式、 状态的直接或间接的表述。

广义信息论:研究人类对于各种信息的收集、交换、传输、存贮、处理、利用和控制的-般规律，设计和制造各种智能信息处理和控制机器，以便部分模拟和代替人的功能，从而提高人类认识和改造客观世界的能力。

2、信息的度量一信息量:

把事物某种不确定性趋向确定的度量或信息消除事物不确定性的度量。信息量的单位称为比特(bit)。

3、自信息的信息量(一个可能消息中所包含的信息量)

信息量的特征:

（1）.设A为可能发生的单个消息，它包含的信息量(称为自信息)是由该消息发生的概率决定的。(说明衡量信息量用概率函数)

设P(A)为A发生的概率，|(A)为A包含的信息量。则

P(A)越大，|(A)越小， 不确定性越小。➢ (可预知消息 )

P(A)越小，|(A)越大， 不确定性越大。➢ (小道消息)

4、信息量具有可加性。(说明衡量信息量用对数函数)

设A、B为同时发生的两个相互独立的信息，则:I(AB)=I(A) 1(B)

定义:一个可能消息A的信息量为

I(A)=log2(1/P(A))= -log2P(A) (比特)

(P(A) ≠0 )

注:

（1） 定义当P(A)=0时，I(A)=0 ( 此时A为不可能事件)

（2） log2P(A)=logP(A)/log2

（3）.对任何可能消息A,都有I(A)≥0,当且仅当P=1或P=0时等号成立。

5、信息序列的信息量(一组可能信息中包含的信息量)

定义:设有包含n条可能消息x，X2, ..的集合[或X= (x1........， 分别以概率P1 .... [或P= (P1....).随机地发生，形成一个包含N个消息的序列。

则消息序列的总信息量为:

整体平均信息量(熵)为:

6、1.比特信息量就是含有两个独立等概率可能状态的事物所具有的不确定性被全部消除所需要的信息。

7、最大熵定理:熵函数在等概率分布下取得最大值。

一般情形:

若系统信息为一般概率状态,则可证明:0≤H(X)≤log2.n

即:一-般概率状态的有序度介于确定状态与等概率状态之间。

信息量和熵(无序)，意义相反，表示的是系统获得信息后无序状态被减少甚至被消灭的程度。

第四节耗散结构理论

二十世纪70年代，比利时物理学家普利高津(| . Prigogine) 提出了"耗散结构” 学说。

1、系统熵的增减和演化方向

哲学观点:自然界物质的运动是由简单到复杂、由低级到高级、由不确定到确定、由无序到有序、由高熵到低熵演化的。

因此，系统的熵S(X)随时间减少。即: dS/dt<0, (也可写成dS<O) 称系统状态的这种演化方向为进化或发展。反之,若dS> 0 ,则称系统运动状态的演化方向为退化或没落。

2、两类有序结构

(一)平衡条件下的有序结构

➢例:晶体，机器，无机系统等

宏观上看是静止的结构,不与外界发生交换关系。这种结构通常与时间无关。是一种死的结构

(二)非平衡条件下的有序结构

➢例:有机系统，社会系统，经济系统等。

这类系统的结构形式和演化过程只能不断与环境进行物质、能量和信息交换的条件下进行，一旦把它与环境分割开来,其结构立刻就会瓦解。它们总是处在一种非平衡状态 ，而平衡状态意味着生物机体的死亡。这种结构与时间有关,状态不断变化。生物机体就是一种空间有序,时间有序和功能有序相结合的结构，是一种活的结构。

3、耗散结构概念

一个远离平衡态的开放系统,在外界条件变化达到某一特定阈值时,量变可能引起质变,系统通过不断地与外界交换能量与物质,就可能从原来的无序状态转变为-种时间、空间或功能的有序状态,这种远离平衡态的、稳定的、有序的结构称之为"耗散结构”。

4、耗散结构理论的几个基本观点

(一)开放系统是产生耗散结构的必要前提。

（1）系统按其与外界环境的关系,可以区分为三大类:孤立系统、封闭系统和开放系统

孤立系统是与外界环境没有任何物质、能量和信息交换关系的系统。严格地说,世界上不存在真正的孤立系统。

封闭系统只与外界有能量交换。

开放系统是一种与外界自由地进行物质和能量、信息交换的系统。

（2）根据耗散结构理论,任何系统总熵变dS由两部分组成

➢第一部分是系统通过与外界交换物质、能量和信息引起的熵流des ,

➢第二部分是系统内部自发产生的熵变dis， 即:

dS =deS dis (普利高津总熵变公式)

孤立系统是与环境熵交换为零的系统。因此，deS=0。

（3）通常,熵交换deS可正、可负、也可等于0。

a、若deS>0,通过与环境交换，系统的熵不断增大，加快无序化进程，系统更加无序

b、 若deS<0，且│deS│ <di$ 则有:

dS = deS diS>0

这时,通过开放系统可以减缓无序化的进程,但不能改变走向无序的趋势，因此不可能发生有序演化。

c、若deS<0，且│deS│ >di$ 则有:

dS = deS diS<0

开放使系统的熵不断减少，从而使系统处于有序演化过程。

（二）非平衡态是有序之源

（三）涨落导致有序

第五节协同学理论

1971，德国理论物理学家赫尔曼:哈肯创立了《协同学》这门学科。

协同学---研究远离平衡态的开放系统在保证外流的条件下，如何能够自发地产生-定的系统有序结构或动能行为的一门新兴科学。

协同导致有序

自组织原理是协同学理论的核心

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