*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,系统工程理论基础,（优选）系统工程理论基础,2024/11/17,2,2024/11/17,3,2024/11/17,4,图,22,系统科学的体系,系统学（系统理论）,主要研究系统的普遍属性和运动规律。即研究系统演化、转化、协同和控制的一般规律；研究系统间复杂关系的形成规律，结构和功能的关系，有序、无序状态的形成规律等。,系统工程,把自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等，根据总体协调的需要，有机地联系起来；应用定性和定量分析相结合的方法和计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析和设计，以实现系统的综合最优化。,2024/11/17,5,2.2,系统工程的理论基础,系统工程宽广的理论基础及工具框架如图,2,一,3,所示。,图,2,一,3,系统工程理论基础及工具,2024/11/17,6,控制论,“控制论是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。”,控制论的产生与发展,维纳（Norbert Wiener）于1948年出版了控制论一书，他对控制论（Cybernetics）的定义是,“关于动物和机器中控制和通信的科学。”维纳的控制论阐述了两个根本观念,2024/11/17,7,一切有生命、无生命系统都是信息系统。无论是机器还是生物，都存在着对信息进行接收、存取和加工的过程。,一切有生命、无生命系统都是控制系统。一个系统一定有它的特定输出功能，必须有相应的一套控制机制。,控制论的发展经历了,三个时期,.,从,20,世纪,40,年代末到,50,年代是第一个时期，即,经典控制理论,时期。控制论发展的第二个时期为,20,世纪,60,年代，即,现代控制理论,时期。,20,世纪,70,年代以后是第三个时期，即,大系统控制理论,时期。,2024/11/17,8,在19世纪热力学第二定律认为孤立体系总是朝着熵取最大值的状态即最无序的状态演化。,如果输出反馈回来弱化了输入变化导致的偏差，这就是负反馈。,生物进化论这两种截然相反的结论造成了科学界、哲学界的长期争论。,控制论发展的第二个时期为20世纪60年代，即现代控制理论时期。,(1)协同效用原理即“协同导致有序”。,从20世纪40年代末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。,这是热力学第二定律在孤立系统中的一种数学表示形式。,信息是系统的组织性的量度。,系统整体具有不同于各组成部分的新性质或功能。,闭环控制系统具有反馈回路的控制系统。,控制系统是通过信息的传输、变换和反馈来实现控制的。,于20世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家申农和维纳。,应用定性和定量分析相结合的方法和计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析和设计，以实现系统的综合最优化。,它们的构造物质截然不同，但达到了功能上的模拟。,如上抛一硬币，只有两种可能性状态正面朝上或反面朝上，每种状态出现的概率为0.,哈肯认为，任何一个包括有大量子系统的复杂系统，在与外界环境有物质、能量、信息交换的开放条件下，通过各子系统之间的非线性的相干作用，就能产生各子系统相互合作的协同现象，使系统能够自动地在宏观上产生空间、时间或功能的有序结构，出现新的稳定状态。,图22系统科学的体系,白箱指系统内部的构成十分清楚的系统。,控制论的基本概念和分类,控制系统的构成,:,由施控器、受控器和控制作用的传递者三个部分所组成。,图,2,一,4,闭环控制系统框图,2024/11/17,9,控制系统的分为开环控制系统和闭环控制系统,1.开环控制系统由系统的输入直接控制着它的输出的，没有反馈回路，对环境的适应能力差，只有当外界干扰较小或干扰恒定时，这种控制系统才能正常发挥作用。,2.闭环控制系统具有反馈回路的控制系统。输出由输入和输出的回输共同控制，对环境有较大的适应性。与开环系统相比，它不仅多了一条把输出回输到原来的控制器的反馈回路及反馈装置，还多了一个比较器，如图24所示。,2024/11/17,10,控制论重点研究带有反馈回路的闭环控制系统。,控制论首要的观点是反馈。正反馈与负反馈如果输出反馈回来放大了输入变化导致的偏差，这就是正反馈；如果输出反馈回来弱化了输入变化导致的偏差，这就是负反馈。,正反馈的作用是用来放大某种作用或效应；负反馈的作用是保持系统行为的稳定，使系统的行为方向趋向一个目标。,机器和生物一般都通过负反馈来达到控制目的。负反馈是系统稳定的基本机制。,2024/11/17,11,控制论的另一个重要观点是,信息,。,控制系统是通过信息的传输、变换和反馈来实现控制的,。,控制论对系统工程方法论的启示,黑箱一灰箱一白箱法,所有的科学问题都是作为,“闭盒”（黑箱）,问题开始的，研究途径是,利用闭盒的输入和输出,。,2024/11/17,12,黑箱指人们一时无需或无法直接观测其内部结构,只能从外部的输入和输出去认识的系统。白箱指系统内部的构成十分清楚的系统。灰箱指介于两者之间的系统称。,黑箱方法就是采用不打开系统“活体”，通过系统的输入和输出关系的研究，去认识和把握系统的功能特性，探索其结构和机理的研究方法。任何时候，人们总得采用不打开黑箱的方法研究事物，解决问题。,2024/11/17,13,灰箱方法则指对系统有部分的认识，但不够完全。,利用灰箱方法可以比黑箱方法更容易解决问题,，这方面的知识可以参考灰色系统理论的有关书籍。,功能模拟法,以功能和行为的相似性为基础，用模型模仿原型的功能和行为的一种方法,。,如早期的,计算机就是从模拟人的计算功能开始的,，是一个成功的例子。又如对,苍蝇复眼功能的模拟，造出蝇眼式照相机。,它们的构造物质截然不同，但达到了功能上的模拟。,这种方法实际上是把研究对象作为一种黑箱,。,2024/11/17,14,信息论,信息论的产生与发展,于20世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家申农和维纳。,狭义信息论即申农信息论。主要研究消息的信息量、信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。,一般信息论主要研究通信问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。,广义信息论包括前两项的研究内容，还包括所有与信息有关的领域。,2024/11/17,15,以功能和行为的相似性为基础，用模型模仿原型的功能和行为的一种方法。,主要研究消息的信息量、信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。,研究系统间复杂关系的形成规律，结构和功能的关系，有序、无序状态的形成规律等。,这是热力学第二定律在孤立系统中的一种数学表示形式。,反常的事件比正常的事件所含信息量大，稀有事件比正常事件所含信息量大等。,系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和。,熵是系统紊乱程度的表征，而信息是表示系统不定性的减少。,在牛顿力学体系中时间无方向性（可逆的），具有对称性,控制系统是通过信息的传输、变换和反馈来实现控制的。,”维纳的控制论阐述了两个根本观念,申农将信息定义为“两次不定性之差”，即“不定性减少的量”。,diS是系统内部混乱性自发产生的熵，因自发过程是,图2一4 闭环控制系统框图,1969年比利时物理学家普利高津（I.,Prigogine)提出了耗散结构学说,1)开放系统是产生耗散结构的必要前提、维持和存在的基础。,信息、物质、能量的比较,控制论发展的第二个时期为20世纪60年代，即现代控制理论时期。,控制论首要的观点是反馈。,图2一5申农通信系统结构模型,信息论的基本概念,信息的定义,申农将信息定义为“两次不定性之差”，即“不定性减少的量”。,信息(量)=通信前的不确定性通信后尚存的不确定性,（21）,从通信角度看，信息是数据、信号等构成的消息所载有的内容。消息是信息的“外壳”，信息是消息的“内核”。,从实用角度看，信息是指能为人们所认识和利用的，但事先又不知道的消息、情况等。,维纳则认为信息不是物质也不是能量，在信息与物质、能量之间划了一条界限；信息是系统的组织性的量度。,2024/11/17,16,信息概念的特点,信息源于运动，事物都具有信息表征。,信息可以被感知、处理和利用。,信息能消除人们对事物运动状态认识上的不确定性。,信息共享不同于实物的交流。,信息可以脱离产生者而被传递。,信息的使用价值具有相对性。,信息具有时效性。,信息不遵守能量守恒定律。,2024/11/17,17,信息、物质、能量的比较,表,2,一,1,物质、能量、信息三者的比较,2024/11/17,18,通信问题的模型,通信过程构成信源（发信者）发出信息，通过信息通道来传送信息，最后由信宿（收信者）获取信息。,申农通信系统结构模型，如图25所示。,图2一5申农通信系统结构模型,2024/11/17,19,信息量,度量信息大小的量。,信源产生的通信信息，正是概率论中所研究的随机现象。信息的定量描述就可用概率的方法来实现。,反常的事件比正常的事件所含信息量大,，稀有事件比正常事件所含信息量大等。概率小的事件发生时所含的信息量大，如P（i)1/10所含的信息量很低，p（i）1/10000所含的信息量很高。如果事先知道某事情肯定会发生，出现概率为1，有消息告诉我们这件事的确发生了，并没有消除任何不确定性，所得信息量为0。,采用对数作为信息的度量,若某事件出现概率为p，则这一事件所具有的信息量为,:,2024/11/17,20,（22）,单位为比特(bit)，信息量常用单位。,如上抛一硬币，只有两种可能性状态正面朝上或反面朝上，每种状态出现的概率为0.5，每种状态所具有的信息量为:,1 bit是含有两个独立等概率可能状态的事件，择其中之一时所具有的信息量。,信息源可能发出的全部符号所包含的信息量之和，就是信源所具有的总信息量。计算出信源发出的每一个符号所包含的平均信息量，这个平均值就是信源平均信息量，即信息熵。,计算信源信息量的一般方法申农信息熵公式。整个信源的各状态所具有的平均不定性数量的数学期望，即平均信息量,（23）,2024/11/17,21,信息熵与物理学中熵在计算公式上仅差一个负号。,熵是系统紊乱程度的表征，而信息是表示系统不定性的减少,。,一个系统所获信息量越大，系统就越有序，熵就越小。反之，所获信息量越小，系统就越无序，熵就越大。,“信息量是一个可以看作几率量的对数之负数，它实质上就是负熵。”,“熵的获得永远意味着信息的丢失，而不是别的。”,信息论及方法论的启示,信息方法,，不对事物的整体结构进行剖析，而是从其信息流程加以综合考察，获取关于整体的性能和知识。,信息方法把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程,看作是借助于信息的获取、传送、加工、处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法,。,2024/11/17,22,信息方法的意义就在于它指示了机器、生物系统的信息过程，揭示了不同系统的共同信息联系；有利于管理、决策科学化；指明了信息沟通的重要性。,一般系统,论,一般系统论的产生过程,实验科学时代的还原论,自然科学初期（实验科学时代），主要任务是分析事物内部细节，收集、整理资料，分门别类地进行研究，科学的主要趋势是分化，与之相适应的是分析解剖法,还原论占统治地位，曾取得了很大成功，从而对其他科学研究产生了巨大影响。,但局限性也日渐显现,。,2024/11/17,23,一般系统论的产生,20世纪20年代美籍奥地利生物学家冯贝塔朗菲在对生物学的研究中发现把生物分解的越多，反而会失去全貌，对生命的理解和认识反而越来越少。,因此冯贝塔朗菲开始了理论生物学的研究,创立了一般系统论.,1945年关于一般系统论的发表，成为系统论形成的标志。,2024/11/17,24,一般系统论的基本观点,系统的整体性,要素和系统不可