第一章 系统工程理论、方法与应用

一般系统论3个基本观点
♦等级观点
即指各种有机体都按严格的等级组织 起来。生物系统层次分明、等级森严，通过各层次 起来。生物系统层次分明、等级森严，
逐级的组合，形成越来越高级、越来越庞大的系统。 逐级的组合，形成越来越高级、越来越庞大的系统。
系统就是由结构和功能组成的统一体。
一般系统论的特点
♦ 一般系统论属于逻辑和数学的领域，其 一般系统论属于逻辑和数学的领域，
控制论研究的具体内容
♦ 3.模糊理论 模糊理论—— 模糊理论 在模糊数学的基础上形成的一种新型数学理 论，主要用来解决一些不确定性的问题。 ♦ 4.大系统论 大系统论—— 大系统论 大系统理论所要研究的问题，主要是大系统 的最优化；研究对象是复杂的大型自动化问题； 研究的领域繁多。
控制论以理论控制论为中心的四大分支： 控制论以理论控制论为中心的四大分支：
♦动态观点
即一切有机体本身都处于积极的运动状态。 即一切有机体本身都处于积极的运动状态。一
切生命现象始终处于积极活动的状态， 切生命现象始终处于积极活动的状态，有机体之所以 能有组织的处于活动状态并保持其活力， 能有组织的处于活动状态并保持其活力，是由于系统 与环境不断地进行物质与能量的交换。 与环境不断地进行物质与能量的交换。
耗散结构理论的基本观点 （二）分销物流的方式方案
• 1.开放系统是产生耗散结构的必要前提。 1.开放系统是产生耗散结构的必要前提。 开放系统是产生耗散结构的必要前提
布鲁塞尔学派认为，系统根据与外界环境的 关系，可分为三类：孤立系统、封闭系统和开 孤立系统、
放系统。 放系统。
总之，开放系统不仅是耗散结构形成的前提， 同时也是耗散结构得以维持和存在的基础。
控制论的3个发展过程： 控制论的3个发展过程：
♦ 20世纪50年代末期之前为第一阶段，称为经典 20世纪50年代末期之前为第一阶段， 世纪50年代末期之前为第一阶段
控制论阶段——经典控制论主要是研究单输入 经典控制论主要是研究单输入
和单输出的线性控制系统的一般规律， 和单输出的线性控制系统的一般规律，它建立 了系统、信息、调节、控制、 了系统、信息、调节、控制、反馈等控制论的 基本概念和分析方法。研究重点是反馈控制， 基本概念和分析方法。研究重点是反馈控制， 主要应用与单机自动化。 主要应用与单机自动化。
系统思想的形成及演变——发展及成熟期
15世纪下半叶 近代科学兴起， 15世纪下半叶——近代科学兴起，形成了 世纪下半叶 近代科学兴起 形而上学的思维方法； 形而上学的思维方法； 19世纪上半叶 世纪上半叶——“三大发现”和自然科学 三大发现” 19世纪上半叶 三大发现 的其他进步——产生了辩证唯物主义； 产生了辩证唯物主义； 的其他进步 产生了辩证唯物主义 现代科学技术的发展——使系统思想定量 现代科学技术的发展 使系统思想定量 电子计算机的产生等。 化，电子计算机的产生等。
建模与决策
1.1 系统的概念
重点掌握内容
•系统思想的形成及演变（理解） 系统思想的形成及演变（理解） •系统的定义 •系统的几种常见形态（了解） 系统的几种常见形态（了解）
1.1系统思想的形成及演变
•古代朴素的系统思想 古代朴素的系统思想——萌芽期 古代朴素的系统思想 萌芽期
•系统的思想来源于人类长期的社会实践 系统的思想来源于人类长期的社会实践 古代天文——历法、二十四节气等 一、系统思想的形成及演变 农事——《管子•地员》、《诗经•七月》 医药——《黄帝内经》 军事理论——《孙子兵法》（“经五事”，即从 道、天、地、将、法5方面来分析战争的全局） 水利工程——驰名中外的“都江堰”水利工程 （三个主体工程——“鱼嘴”、“飞沙堰”、“宝 瓶口” ） •系统思想体现在我国古代和古希腊的哲学思想中 系统思想体现在我国古代和古希腊的哲学思想中 春秋末期的老子——强调自然界的统一性； 古希腊唯物主义哲学家的德谟克利特——世界是 由原子组成； 亚里士多德——提出“四因”等思想。
种“活”的结构，或者说是一种动态的稳定结构，它 是一种远离平衡态的稳定态。
耗散结构是系统的一种非平衡态。欲使系统 形成耗散结构，必须设法驱动开放系统越出平 衡态区和近平衡态线性区，到达远离平衡态的 非线性区域。
耗散结构理论的基本观点
♦ 涨落导致有序 所谓涨落，是指系统的某个变量或某种行 为对平均值的偏离。涨落是偶然的、随机的， 在不同状态下有不同的作用——对平衡态和近 平衡态，起消极的作用；而对非平衡态，涨落 触发和激化了耗散结构的形成，起着积极的建 设性作用，即偶然的随机涨落为耗散结构的形 成提供了良好的条件。
控制论研究的具体内容
2.自适应、自学习和自组织系统理论 自适应、 ♦ 自适应控制系统——能按照外界条件、环境的 外界条件、 变化，自动调整其自身的结构或行为参数，以 保持系统原有功能。 ♦ 自学习控制系统——能按照自己运行过程中的 经验来改进控制算法的能力的系统。它有“定 式”和“非定式”两个方面。 ♦ 自组织系统——能根据环境和运行经验来改变 自身结构和行为参数的系统。自组织系统理论 的主要目标是通过仿真、模拟人的神经网络和 感觉器官的功能，探索人工智能的途径。
为了认识事物的整体性，既要了解其各部分组成， 为了认识事物的整体性，既要了解其各部分组成， 更要了解它们之间的关系。 更要了解它们之间的关系。 ♦ 一般系统论来源于机体论，贝塔朗菲认为机械论有 一般系统论来源于机体论，贝塔朗菲认为机械论有3 各错误的观点： 各错误的观点： 其一是相加的观点，即把有机体分解为各要素， 其一是相加的观点，即把有机体分解为各要素，并 以简单相加来描述有机体的功能；其二“机械”观点， 以简单相加来描述有机体的功能；其二“机械”观点， 把生命现象简单的比作机器，并认为“人即机器” 把生命现象简单的比作机器，并认为“人即机器”； 其三是被动反应的观点， 其三是被动反应的观点，认为有机体只有受到刺激时 才能出现反应，否则静止不动。 才能出现反应，否则静止不动。
工程控制论、生物控制论、社会控制论 工程控制论、生物控制论、 和智能控制论。 和智能控制论。
1.3.3 信息论
♦ 1948年由美国科学家申农提出。 ♦ 信息论是一门研究信息传输和信息处理系统中
一般规律的学科。
♦ 信息论可分为狭义信息论与广义信息论。 信息论可分为狭义信息论与广义信息论。
狭义信息论研究通信控制系统中信息传递的共同规律， 狭义信息论研究通信控制系统中信息传递的共同规律， 以及如何提高信息传输的有效性和可靠性。 以及如何提高信息传输的有效性和可靠性。广义信息 论是利用狭义信息论观点来研究一切问题的理论， 论是利用狭义信息论观点来研究一切问题的理论，他 研究及其、生物和人类对于各种信息的获取、变换、 研究及其、生物和人类对于各种信息的获取、变换、 传输、储存、处理和利用的一般规律， 传输、储存、处理和利用的一般规律，设计和制造各 种智能信息处理和控制机器，以便模拟人的部分功能。 种智能信息处理和控制机器，
控制论的3个发展过程： 控制论的3个发展过程：
♦ 20世纪70年代之后为第三阶段，称为大
系统理论阶段——大系统理论的主要研 究对象是众多因素复杂的控制系统（如 宏观经济系统、资源分配系统、生态系 统等等）。
控制论研究的具体内容
♦ 1.最优控制论——现代控制论的核心 社会发展、科学技术的进步， 社会发展、科学技术的进步，各种控制系统 日趋复杂和庞大， 日趋复杂和庞大，这些新的形势促使控制论进 入多输入和多输出系统控制的现代化阶段， 入多输入和多输出系统控制的现代化阶段，要 求通过数学方法，采用动态的控制方式，解决 求通过数学方法，采用动态的控制方式， 众多大系统的设计和控制问题， 众多大系统的设计和控制问题，实现系统最优 化。
1.3.3 信息论
♦ 信息论是控制论的基础。这是因为它调
节着其他流的数量、方向、速度、目标 等，进行有目的、有规律的活动。
♦ 那些事先不知道其结果的消息，称为信 那些事先不知道其结果的消息，
息。申农把信息定义为“不确定度的减 少”，并提出了信息量的概念，即把某
种不确定度趋向确定的一种量度。 ♦ 信息科学的产生——以信息论为基础。
♦ 两个以上的要素 ♦ 要素之间有一定有机联系 ♦ 具有特定的功能
♦ 系统支配和控制要素 ♦ 要素决定系统的功能 ♦ 系统和要素的概念是相对的
1.1.3 系统的形态
♦ 1.自然系统和人造系统 ♦ 2.实体系统和概念系统 ♦ 3.封闭系统和开放系统 ♦ 4.静态系统和动态系统 ♦ 5.控制系统和因果系统
因为耗散结构实质上就是远离平衡态的非线性系 统，是通过与外界不断地交换物质、能量、信息来维 持的一种动态有序结构。
耗散结构理论的基本观点
♦ 2.非平衡态是有序之源 2.非平衡态是有序之源
耗散结构只有在系统保持“远离平衡”的条 件下，才有可能出现。 耗散结构与平衡结构是有着本质区别的——
平衡结构是一种“死”的结构，或者说是一种静态的 稳定结构，它的存在不依赖于外界；而耗散结构是一
任务是确立适用于各种系统的一般原则， 任务是确立适用于各种系统的一般原则， 为解决各种系统问题提供新的研究方法。 为解决各种系统问题提供新的研究方法。 ♦ 一般系统论用相互关联的综合性思维来 取代分析事物的分散思维， 取代分析事物的分散思维，突破了以往 分析方法的局限性。 分析方法的局限性。 ♦ 一般系统论可以帮助人们摒弃用简单方 法来解决复杂系统的习惯。 法来解决复杂系统的习惯。
1.2 系统的特性
♦ 集合性 ♦ 相关性 ♦ 阶层性 ♦ 整体性 ♦ 目的性 ♦ 环境适应性
1.3 系统理论概述
♦1.3.1一般系统论 一般系统论
♦ 1947年由奥地利生物学家贝塔朗菲创立。 年由奥地利生物学家贝塔朗菲创立。 年由奥地利生物学家贝塔朗菲创立 ♦ 贝塔朗菲在论述一般系统论原理时指出 贝塔朗菲在论述一般系统论原理时指出——
1.1.2系统的定义
♦ 最早出现于希腊——部分组成的整体 ♦ 美籍.奥地利理论生物学家——冯·贝塔朗
菲，1937提出“系统是相互作用的诸要 素的综合体” ♦ 我国系统学界对系统的定义——系统是
由相互作用和相互依赖的若干部分要素 结合而成的、具有特定功能的有机整体。 结合而成的、具有特定功能的有机整体。
1.3.4 耗散结构理论
♦ 20世纪70年代，由比利时物理学家普里
高津提出。
♦ 普利高津指出：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值 时，量变可能引起质变，系统通过与外 界不断地交换能量与物质，就可能从原 来的无序状态转变为一种时间、空间或 功能的有序状态。这种远离平衡态的、
稳定的、有序的结构被称为“耗散结 构”。
1.3.2控制论 1.3.2控制论
♦ 1948年，美国数学家维纳总结了前人的经验创 1948年
立的。 立的。 ♦ 控制论是研究系统调节与控制的一般规律的科 控制论是研究系统调节与控制的一般规律的科 学，为了实现系统自身的稳定和功能，系统需 为了实现系统自身的稳定和功能， 要取得、使用、保持及传递能量、材料和信息， 要取得、使用、保持及传递能量、材料和信息， 需要对系统的各部分进行组织，那么怎样组织？ 需要对系统的各部分进行组织，那么怎样组织？ 便是控制论所要研究的问题。 便是控制论所要研究的问题。
一般系统论3个基本观点
♦系统观点
即一wenku.baidu.com有机体都是一个整体（系统）。 即一切有机体都是一个整体（系统）。整体
是由部分结合而成的， 是由部分结合而成的，其特性和功能不只是各部分特 性和功能的简单相加的总和。认为系统是“ 性和功能的简单相加的总和。认为系统是“相互作用 的诸要素的复合体” 的诸要素的复合体”。
♦ 20世纪50年代末期至70年代初期为第二阶段， 20世纪50年代末期至70年代初期为第二阶段， 世纪50年代末期至70年代初期为第二阶段
称为现代控制阶段——现代控制论研究的对象 现代控制论研究的对象
是多输入和多输出的非线性控制系统， 是多输入和多输出的非线性控制系统，研究重 点是最优控制、随机控制和自适应控制， 点是最优控制、随机控制和自适应控制，主要 应用于机组自动化和生物系统。 应用于机组自动化和生物系统。