系统科学技术科学层次的系统科学

预定要求是可变的 变化要求实时监测
随动控制
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定义：当控制任务是保证受控制量y按照某个预先 （ t） 知道的方式 随时间t而变化时，应当采取程 序控制。
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• •
（ t） 目的： 这一程序预先确定，程序控制执行这 （ t） 一预定程序，保证y=
例子： （1）时钟的转动 （2）国家的五年计划
定义：控制任务既不是使受控量保持不变，也 不是使它按照预定的规律变化，而是随着某个 不确定的规律变化。受控量y(t)是时间t的函数， 按照某个只能实施测定的变化规律u(t)来变化
可以分为最优设计、最优计划、最优管 理和最优控制等四个方面。 ①最优设计:飞机、造船、机械、建筑等， 例如各种设计参数的优选到最佳结构形状 的选取 ②最优计划:农业规划、种植计划、能源 规划和其他资源、环境和生态规划的制订 ③最优管理：一般在日常生产计划的制订、 调度和运行中用到 ④最优控制：导弹系统的最优控制、再如 飞机、船舶、电力系统等的最优控制，化 工、冶金等工厂的最佳工况的控制
相关概念 • • 运筹学是20 世纪三四十年代发展起来的一门新兴交叉学科。 概念：主要研究人类对各种资源的运用及筹划活动，以期通过了解和发展这种运用及筹划活动的基 本规律，发挥有限资源的最大效益，达到总体最优的目标。 发展简史
如：1935年英国的防空研究出现了运筹学的 萌芽，主要是为了研究伦敦周围防空炮的最 优布置问题。
朴素的运筹思想
1. 《孙子兵法》是我国古 代军事运筹思想最早的 典籍，研究如何筹划兵 力以争取全局的胜利； 2. 轮作制、间作制与绿肥 制等耕作技术都暗含现 代运筹学中二阶段决策 问题的雏形； 缺点：没有从数学的角度 将这些运筹思想和方法进 行提升
西方科学家用数 学提升运筹思想
1. 1736 年，欧拉用图论 思想成功地解决了哥尼斯 堡七桥问题； 2. 1738 年，贝努利首次 提出了效用的概念，并以 此作为决策的标准 3. 1896 年，帕累托首次 从数学角度提出多目标优 化问题，引进了帕累托最 优的概念 4. 1909 年，丹麦电话工 程师埃尔朗利用概率论， 开展了关于电话局中继线 数目的话务理论的研究， 开创了排队论研究的先河
运筹学
运筹学——运筹问题
运筹学研究的全过程包括：从问题的形成开始，到构造模型、提出解案、进行检验、 建立控制，直至付诸实施为止。

运筹问题：在人类的生存活动中，凡需要通过定性谋划和定量计算而制定出行动 方案的问题，都是运筹问题。
现已得到充分研究的主要运筹问题有：
⑴ 规划问题，即有限资源的最优分配；
•
⑵排队问题，即根据每种具体情况下输入、排队和服务的特性，在服务台收 益、服务强度和顾客 需要之间做出百度文库理的安排； ⑶对策问题，即如何在竞争中通过正确运用策略以赢得竞争； ⑷决策问题，即决策人如何根据自然状态发生的统计规律来选择自己的最优策略； ⑸ 库存问题，即研究如何解决缺货损失和存储损失的矛盾，寻找最优策略； ⑹ 搜索问题，即根据搜索目标、手段、方案之间的关联关系，综合考虑效益与代价，从总体优化出 发制定最佳搜索方案；
控制论——控制系统
控制系统基本结构
控制系统一定要有输入和输出，且是动态的，从施加控制作用起到实现控制目标止，要经历 一个动态过程。 控制系统的特性 在研究和设计控制系统时除了考虑稳定性和过渡过程特性外，还要考虑以下几个特性： （1）可控性：控制器施加一定的控制作用于对象，是为了是对象系统的状态发生合目的变化
预定要求是固定的 变化要求预先精确知道
最优控制
定义：使系统的某种性能达到最优。 目的：令G为所关心的系统性能指标，J为有效 性依据。寻找一个或一组控制变量，使J=G=最 好 • 例子： （1）发电站保证发电机最大效益；有限资源配置 • •
预定要求不能标定出来 变化不能实时获取
•
预定要求是可变的 变化要求预先精确知道
控制论——建模与辨识
建模 从科学原理出发 无法从科学原理出发 辨识
简单工程控制系统划分为6个基本环节：
非周期性环节、振荡环节、积分环节、放大环节，
一阶微分环节、二阶微分环节。
建立各个环节的动力学方程，再按照它们在系 统中的耦合方式，即可写出整个系统的运动方 程
黑箱方法：
单纯就输入——输出关系对系统进行分析和综合
聚焦于系统的功能、效益和用途
引言——技术科学层次下的系统科学
技术科学的目的是把工程实际中所用的许多设计原则加以整理与 总结，使之成为理论，因而也就把工程实际的各个不同领域的 共同性 显示出来，而且也有力地说明一些基本概念的重大作用
通信 控制 决策
共 性
信息论
控制论
运筹论
引言——基础科学层次与技术科学层次的对比
（2）可观测性：
实施控制的前提是获取系统的信息，特别是状态信息。 状态信息需借助输入输出信息确定 输入已知，关键是获取输出信息 （3）鲁棒性：控制系统品质指标对这些特性或参数摄动的不敏感性，即在出现摄动时品质指标保 持不变的特性 （4）控制精度：控制过程完成后控制量的实际稳态值与预定值之间的差，称为控制精度
基础科学层次
主要讨论系统的运行演化
VS
技术科学层次
首要问题是系统的功能、效益和用途
只考虑系统运行演化的客观规律
重在运用这些规律解决实际问题
自组织理论、对称性与有序……
运筹决策（寻找最优解、可行 解）、通信（信息处理、信息传 递）等
在技术科学层次，主要的兴趣在于研究系统为实现某个目的所具有的能力以及如何施 加“信息处理、控制、决策”来达到这一目的 因此，技术科学层次的系统理论中包含大量反映“能动性”的概念 任意发挥
白箱 灰箱 黑箱
实施控制的过程
不断获取、处理、选择、传送、 利用信息的过程
灰箱方法
黑箱方法
实施控制的目标和手段
以信息形式表现并发挥作用
控制论——控制任务
定值控制 • • 定义：在某些控制问题中，控制任务是使受控量y 稳定地保持在预定的常数值y0上 范围：并不要求严格保持y=y0,只要求y对y0的偏 差△y=y-y0不超过许可范围即可 例子： （1）人的体温（36.5°C） （2）血压控制 程序控制
一切运筹问题都是由目标、条件、决策三者构成的系统。运筹学的任务是正确提出运 筹问题，以系统观点分析问题，制定表达目标、条件、决策的数学方法，发明求解运筹 问题的算法，寻找在满足限制条件下达到目标的最优决策。
运筹学——运筹问题
运筹学经过60 多年的发展，已经逐步形成了一套系统的解决和研究实际问题的方 法，它可以概括为以下几个阶段：
特点：考虑外界对环境的干扰。在干扰对系统造成 结果之前，能预测干扰作用的性质和程度。
控制论——控制方式
简单控制 适用于大系统，分片控制 （2）三段递阶控制 递阶控制
特点：只下达命令，不检查结果 补偿控制 特点：精确补偿很难实现，因 此考虑实施监测，把其量化与 目标值比较形成误差，指定方 案，消除误差 反馈控制
目的：保证y随u的变动而变动，使y(t)尽可能准 确地跟踪外部变量u(t)的变化 例子： （1）火箭发射的控制；（2）猎人对猎枪的控制
• •
控制论——控制方式
简单控制 适用于大系统，分片控制 （1）三级递阶控制 递阶控制
特点：只下达命令，不检查结果 补偿控制 特点：精确补偿很难实现，因 此考虑实施监测，把其量化与 目标值比较形成误差，指定方 案，消除误差 反馈控制
白箱方法：
对象复杂性增加，单纯输入——输出方法不能 满足要求，而需要了解内部状态，就为白箱方法。 （现代控制理论）
x ' f ( x, u, )
（状态方程） （输出方程）
y g( x , u, )
系统辨识目标： 建立描述控制系统动态特性的数学模型（从输 入/输出数据中找根据） 系统辨识的定义： 从数据和知识中提取信息，确定数学模型的结 构和有关参数，这一过程就叫做系统辨识
其中u为输入变量，x为状态变量，y为输出变量， 、 为控制参数，f、g为数学结构。
控制论——未来方向
复杂系统的控制理论将成为未来控制理论的一个主
攻方向
控制论基本原理应用于生物、神经、经济、社会等
领域
目录 Content
10.1 引言 10.2 控制论
10.3 运筹学
10.4 信息论
运筹学——产生
特点：考虑外界对环境的干扰。在干扰对系统造成 结果之前，能预测干扰作用的性质和程度。
控制论——控制系统
控制系统基本结构
控制系统一定要有输入和输出，且是动态的，从施加控制作用起到实现控制目标止，要经历 一个动态过程。 控制系统的分类 按照在实施控制过程中是否有人参与，分为两类： （1）自动控制系统（无需人力直接参与而能独立地、自动地完成某种特定任务的受控工程系统） 例如： 军事领域：导弹命中目标、飞机驾驶系统 工业生产领域：全自动生产线 现代农业领域：温室自动温控系统、自动灌溉系统 （2）人工控制系统（通过人力操作机器来事实控制的系统） 例如：一些加工业等
运筹学——产生
• • 科学研究的对象—客观世界是由事和物两方面组成的。 人类的知识由关于物的知识和关于事的知识两部分组成。 关于物的知识 人类知识 关于事的知识 自然科学与运筹学之间的区别： 自然科学 研究对象 研究成果 数学工具 物质运动和能量转换 问题的答案 体现物理学的痕迹 运筹学 人们基于一定物质条件的办事 过程 活动的策略 大量引入人类活动的词汇 自然科学
控制的定义：
施控者选择适当的控制手段作用于受控者，以期引起受控者行为状态发生合目的的变化。
广义的控制：领导、指挥、支配、经营、管理、创作、设计、组建、制造、操纵、制裁、教育、调节、 补偿、决策、优化等等 狭义的控制：仅指有控制的系统中施控者选择一定手段作用于受控者的主动行为过程。 示 例
目录 Content
10.1 引言 10.2 控制论
10.3 运筹学
10.4 信息论
控制论——控制问题
相关概念定义
控制的可能性：（施控者有很多控制手段，不同手段的效果不同）
选择适当的手段作用于对象。
控制的必要性：(受控对象有多种很多可能行为状态，有些合乎目的，有些不合乎目的）
追求和保持那些合目的状态，避免或消除那些不合目的状态。
现代运筹思想
1. 萌芽于一战时期，但由于 人力不足，资料有限，经 费不足的原因限制了运筹 学研究的深度， 2. 现代运筹学起源于二战时 期。战争的需要推动人们 研究如何合理或优化地使 用现有武器系统，形成军 事运筹学 3. 1935—1938 年被视作运 筹学基本概念酝酿期。 4. 1949 年，美国成立了著名 的兰德公司，与此同时，许 多运筹学工作者逐步从军方 转移到政府及产业部门进行 研究
因此，技术科学层次的系统理论都是关于在一定限制条件下发 挥能动性的科学理论
有限发挥
√
引言——最优化原理与满意解
较简单的系统
最优化方法
为了达到最优化目的、根据最优化理论指定的 各种解决具体问题的方法，成为最优化方法。 它是建立在完全理性和信息完备性假设之上的， 只对较简单的系统才成立。
VS
较复杂的系统
满 意 解
对于相对复杂的系统，实际能得到的往往只是 次优或较优解，甚至只能是所谓的“满意解”
最优化方法的应用：
满意解的应用：
在实际的生产生活中，往往在解决问 题中会遇到相互矛盾的条件，因此人们常 常追求的都是满意解。 ①企业生产中，既要兼顾考虑企业利润、 又要考虑环境污染、社会效益、公众形象 等因素 ②投资中，既要考虑收益又要考虑风险 ③裁员时，要考虑很多相矛盾的因素。
（1）构建所关心问题的数学模型，将一个实际问题表示为一个运筹学问题； （2）分析问题（最优）解的性质和求解的难易程度，寻求合适的求解方法； （3）设计求解相应问题的算法，并对算法的性能进行理论分析； （4）编程实现算法，并分析模拟数值结果； （5）判断模型和解法的有效性，提出解决原始实际问题的方案。
稳定物价：
政府
货币等经济手段 打击价格欺诈等 行政手段
市场 价格
价格回落
控制论——控制问题
控制与信息 系统分类
实施控制的前提条件
获取受控对象运行状态、环 境状况、实际控制效果等信息。
对象
获得信息的程度 能够全面获得内 部信息的系统 能够部分获得内 部信息的系统 完全不获得内 部信息的系统
方法 白箱方法
系统科学
技术科学层次的系统科学
目录 Content
10.1 引言 10.2 控制论
10.3 运筹学
10.4 信息论
目录 Content
10.1 引言 10.2 控制论
10.3 运筹学
10.4 信息论
引言——架构回顾
第三章——第九章介绍了系统科学中的基础理论
聚焦于系统的运行演化的客观规律
第十章介绍了系统科学中的技术科学层次