生物系统建模与仿真.pptx

生物控制论的研究方法
建立系统模型 进行数学仿真 系统稳定性分析 经典控制理论的频率分析 现代控制理论的最优控制 自适应控制理论 系统辨识
生物控制论的研究方法
中国自动化学会生物控制论与生物医学工程专业委员会倡导理论与实 验的紧密结合，模型工作都应有扎实的生物学背景。本领域的研究工 作属于基础与应用基础范畴，但与计算机视觉，信息与自动化技术以 及生物医学工程应用有密切联系，它属于生物科学与信息科学以及医 学工程的交叉科学。
生物控制论的学科地位
生物科学：心理学、生理学、行为学、脑科学、思维科学… 信息科学：信息论、生物信息学、全信息论… 系统科学：系统学、控制论、生物控制论、大系统控制论…
生物科学
信息科学
多学科协同
系统科学
生物控制论的研究内容
从系统的、定量的、动态的角度定量化研究生物系统。 生物反馈系统的定量的和动态的研究 生物系统辨识 神经元与神经网络的研究 感觉系统中信息传递、编码和加工等过程的模型和分析 神经控制论 …………………生物系统的显著特点源自非线性 时变性 紧耦合 多层次
需要： 系统的（整体的） 动态的 定量的
进行研究
生物控制论的发展概况
控制论的产生
《控制论—关于在动物和机器中控制 和通讯的科学》
Cybernetics or control and communication in the animal and
machine
线性系统和非线性系统 多级系统 层次和突现性质
控制：
反馈 开环控制 闭环控制
系统
系统一般是指由许多单元相互联系而组成的一个整体， 通常具有一定的功能。 单元的划分应以其在完成整体功能中的作用为依据， 而单元间的联系主要指其功能间的联系。 实现功能间的联系的方式是多样的，可以通过物质、 能量、信息来实现。
线性系统与非线性系统
线性系统与非线性系统
线性系统： 可加性 比例性
非线性系统： 局部线性化处理 非线性处理方法
层次和突现性质
系统是分层次，不同层次完成不同的功能 通常系统从低层向高层方向功能也是从低级到高 级 系统从低层次向高层次发展时，或从简单到复杂 发展时，系统的高层次往往“涌现出”低层次所 没有的新性质 所以研究系统问题时，应注意分析和综合、系统 论和还原论相结合，避免孤立、片面的看问题。
生物控制论的研究内容
神经系统信息加工的模型与模拟 生物系统中的非线性问题 生物系统的调节与控制 生物医学信号与图象处理
中国自动化学 会生物控制论 与生物医学工 程专业委员会
理解大脑的工作原理 视觉信息的编码、表达和加工 不同的脑功能状态下的模型与仿真问题 动态脑模型以及学习、记忆与决策 意识产生的物质基础
生物系统建模与仿真
生物控制论概述 基本概念 仿真示例
生物控制论
生物控制论是应用控制论的理论和方法研究生物体的学科， 其主要研究对象是生物系统的调节控制及信息处理问题， 是系统的、动态的、定量的研究生物体的重要工具。生物 控制论是一个广大的领域，本课程结合生物医学问题的典 型实例,运用控制理论的基本概念,理论和方法进行分析，使 同学掌握生物控制论的基本内容，树立从整体和综合角度 研究生物医学问题和建立系统数学模型的观点。同时对于 如何将怎样把信息科学，数理科学和生命科学（主要是神 经科学）融合起来进行研究，特别是其中的基于生物学实 验基础之上的建模和计算机仿真方法有一个入门性的了解。
建立描述各种生物系统的控制和信息处理过程的繁简不同的数学模型 并进一步加以分析或进行系统仿真，这是生物控制论的主要方法。
从生物控制论看学科交叉研究的重要性和应注意之处： 学科交叉是当代科学发展的重要趋势；生物控制论产生的历史；学科 交叉是多学科的有机结合，而不是混合；生物控制论必须以生物科学 的实验事实为基础，运用信息科学和数理科学的思想和方法，解决生 物科学的问题。
What is Biological Cybernetics?
Cybernetics （舵手，governor）
“生物控制论的主要目的在于建立能反映人体和动物功 能的模型和理论，而且这种模型和理论中的逻辑原理和 有机体本身中起作用的逻辑原理是相同的。它也试图建 立和生物系统有同样的物理与生物化学成份的模型。它 是少数能真正地称之为边缘科学的学科之一。无论对生 物学还是医学来说，生物控制论都给了它们以一种新的、 普遍适用的、能充分发挥数学威力的语言”。 “我们研究生物这种复杂系统的工具就是去测量与此系 统有关的某些量，并研究这些量之间的数学关系 。这就 是说生物控制论是以生物体中的控制和信息过程(即信息 的接收、传递、存储、反馈和处理的过程)作为研究对象， 目的是构造生物体中控制和信息过程的模型。 因此，我 们又可认为把控制论用于生物科学中去就是生物控制 论”。
过程
称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济 学过程、生物学过程。
术语
系统
完成一定任务的一些元、部件的组合。
生物控制论的应用
阐明生物系统的机理 解决医学中的实际问题
确定药物和放射疗法的最优方案 自适应控制保证手术病人血压的稳定 假肢和人工脏器的控制问题 自我控制机体状态的生物反馈方法 为设计测量与估计人体在不同情况下(如体育训练、航天飞 行)的状态的自动装置提供科学依据 …………………
基本概念（1）
系统：
控制系统
术语 自动控制系统示例 开环控制和闭环控制 自动控制系统的分类 自动控制系统理论 自动控制系统的基本要求
术语
自动控制
在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动 地按照预定要求进行。
对象
是一个目标物体，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其 作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如 加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。
---N. Wiener,1948
生物控制论的发展概况
维纳、罗森勃吕特 每月一次的方法讨论会 1930’s~40’s “行为目的和目的论” 维纳、斯切特 《生物控制论进展》 1960’s “Biological Cybernetics” 专业刊物成立 1960’s ...........................