第2章 系統(tǒng)工程基本理論課件

系統(tǒng)工程基本理論2.1系統(tǒng)論基礎(chǔ)2.2控制理論基礎(chǔ)2.3信息論基礎(chǔ)1第2章系統(tǒng)工程基本理論2.1系統(tǒng)論基礎(chǔ)

為系統(tǒng)工程提供理論和方法的技術(shù)科學(xué)主要有系統(tǒng)論，控制論和信息論、最優(yōu)化理論等（其中，系統(tǒng)論、信息論、控制論簡稱“三論”，是系統(tǒng)科學(xué)的重要理論基礎(chǔ)及工具）。

系統(tǒng)論是系統(tǒng)科學(xué)的主體理論基礎(chǔ)。2第2章系統(tǒng)工程基本理論一般系統(tǒng)論

貝塔朗菲是美籍奧地利生物學(xué)家，1945年，他在《德國哲學(xué)周刊》第18期上發(fā)表了《關(guān)于一般系統(tǒng)論》，這是系統(tǒng)科學(xué)的奠基之作，標(biāo)志著系統(tǒng)科學(xué)的誕生。

一般系統(tǒng)論用相互關(guān)聯(lián)的綜合性思維來取代分析事物的分散思維，概括了整體性、關(guān)聯(lián)性、動態(tài)性、有序性、終極性（目的性）等系統(tǒng)的共性，突破了以往分析方法的局限性。3第2章系統(tǒng)工程基本理論一般系統(tǒng)論的延伸

一般系統(tǒng)論的研究領(lǐng)域十分廣闊，幾乎包括一切與系統(tǒng)有關(guān)的學(xué)科和理論，如管理理論、運(yùn)籌學(xué)、信息論、控制論、科學(xué)學(xué)、哲學(xué)、行為科學(xué)等。它給各門學(xué)科帶來新的動力和新的研究方法，溝通了自然科學(xué)與社會科學(xué)、技術(shù)科學(xué)與人文科學(xué)之間的聯(lián)系，促進(jìn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的整體化趨勢，使許多學(xué)科面貌煥然一新。4第2章系統(tǒng)工程基本理論系統(tǒng)的觀點(diǎn)-1

貝塔朗菲將系統(tǒng)定義為“相互作用的諸要素的復(fù)合體”。這個定義強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的整體性和聯(lián)系性，是系統(tǒng)科學(xué)的基本觀點(diǎn)。結(jié)構(gòu)功能相關(guān)規(guī)律、信息反饋規(guī)律、競爭協(xié)同規(guī)律、漲落有序規(guī)律、優(yōu)化演化規(guī)律作為系統(tǒng)的五個重要規(guī)律。

5第2章系統(tǒng)工程基本理論系統(tǒng)的觀點(diǎn)-2

（1）整體與涌現(xiàn)性系統(tǒng)觀點(diǎn)首先是整體觀點(diǎn)整體才具有而孤立的部分及其總和不具有的特性，稱為整體涌現(xiàn)性或突現(xiàn)性（wholeemergence）。（2）結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)、層次系統(tǒng)組分（元素）及組分之間一切聯(lián)系方式的總和稱為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（structure）。

子系統(tǒng)（subsystem）相對于系統(tǒng)整體而言就是系統(tǒng)的部分或組分，但它本身就是一個系統(tǒng)，具有系統(tǒng)的基本特性。

層次是系統(tǒng)由元素整合為整體過程中的涌現(xiàn)等級，不同性質(zhì)的涌現(xiàn)形成不同的層次，不同層次表現(xiàn)出不同的涌現(xiàn)性。6第2章系統(tǒng)工程基本理論系統(tǒng)的觀點(diǎn)-3

（1）系統(tǒng)的環(huán)境

廣義上講，一個系統(tǒng)之外的一切與它相關(guān)聯(lián)的事物構(gòu)成的集合，稱為該系統(tǒng)的環(huán)境。（2）孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)

依據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境所處的關(guān)系，可將系統(tǒng)分為孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。（3）系統(tǒng)的行為

行為是刻畫系統(tǒng)與環(huán)境相互關(guān)系的概念。

（4）系統(tǒng)的功能

功能是刻畫系統(tǒng)行為，特別是系統(tǒng)與環(huán)境關(guān)系的重要概念。（5）系統(tǒng)的演化

動態(tài)，暫態(tài)，穩(wěn)態(tài)。演化性是系統(tǒng)的普遍性。7第2章系統(tǒng)工程基本理論2.2控制理論基礎(chǔ)

控制論（cybernetics）是在20世紀(jì)30、40年代自動控制、電子計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)和生物學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科蓬勃發(fā)展的背景下產(chǎn)生的。1948年，美國數(shù)學(xué)家維納將機(jī)器與生物的控制和通信機(jī)制進(jìn)行類比，抽象出共同特征，創(chuàng)立了控制論?？刂普撎釤挸龅幕靖拍?，諸如目的、行為、通信、信息、輸人、輸出、反饋、控制以及在這些概念基礎(chǔ)上的控制論系統(tǒng)模型，即輸入一輸出反饋控制模型，具有廣泛的普遍意義，并且緊密聯(lián)系著基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)兩頭。8第2章系統(tǒng)工程基本理論控制的含義

廣義地說，世間各種事件的因果關(guān)系都是控制，包括領(lǐng)導(dǎo)、指揮、支配、經(jīng)營、管理、創(chuàng)作、設(shè)計(jì)、組建、制造、操縱、制裁、教育、調(diào)節(jié)、補(bǔ)償、決策、優(yōu)化，等等。狹義地說，控制僅指有控制的系統(tǒng)中施控者選擇一定手段作用于受控者的主動行為過程。

9第2章系統(tǒng)工程基本理論控制與信息

控制過程是一種不斷獲取、處理、選擇、傳送和利用信息的過程。實(shí)施控制的前提條件是獲取受控對象運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境狀況、實(shí)際控制效果等信息，控制目標(biāo)和手段都是以信息形式表現(xiàn)并發(fā)揮作用的。維納強(qiáng)調(diào)說：“控制工程的問題和通信工程的問題是不能區(qū)分開來的，而且，這些問題的關(guān)鍵并不是環(huán)繞著電工技術(shù)，而是環(huán)繞著更為基本的消息概念，而不論這消息是由電的、機(jī)械的或神經(jīng)的方式傳遞的。”從信息掌握程度理解白箱、灰箱和黑箱的涵義10第2章系統(tǒng)工程基本理論控制分類

一定的控制過程有一定的控制任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)是人們?yōu)橥瓿梢欢ǖ目刂迫蝿?wù)而設(shè)計(jì)制造的。按照控制任務(wù)的不同，可將控制系統(tǒng)主要分為以下幾種類型：定值控制程序控制隨動控制最優(yōu)控制

11第2章系統(tǒng)工程基本理論控制方式

（1）開環(huán)控制（2）補(bǔ)償控制（3）反饋控制12第2章系統(tǒng)工程基本理論大系統(tǒng)的控制

（1）集中控制（2）分散控制

13第2章系統(tǒng)工程基本理論大系統(tǒng)的控制

（3）分解一協(xié)調(diào)控制——分級遞階控制14第2章系統(tǒng)工程基本理論大系統(tǒng)的控制

（3）分解一協(xié)調(diào)控制——分層控制15第2章系統(tǒng)工程基本理論大系統(tǒng)的控制

（3）分解一協(xié)調(diào)控制——分層分段控制16第2章系統(tǒng)工程基本理論2.3信息論基礎(chǔ)

現(xiàn)代信息論是從20世紀(jì)20年代奈奎斯特N．Nyquist）和哈特利（L．v．R．Hartley）的工作開始的，他們最早研究了通信系統(tǒng)傳輸信息的能力，并試圖度量系統(tǒng)的信道容量。

1948年，申農(nóng)發(fā)表了具有里程碑性質(zhì)的論文——《通信的數(shù)學(xué)理論》。這是世界上首次將通信過程建立了數(shù)學(xué)模型的論文。這篇論文和1949年發(fā)表的另一篇論文奠定了現(xiàn)代信息論的基礎(chǔ)。17第2章系統(tǒng)工程基本理論信息的含義

申農(nóng)把信息定義為兩次不確定性之差，即信息＝通信前的不確定性—通信后仍有的不確定性

對于信息給予下面的進(jìn)一步解釋：（1）所謂信號，包括光、一般電磁波、聲波或任何其他物質(zhì)流。這些物質(zhì)流要稱為信號必須是對某個主體而言包含某種信息，否則就僅是一種物質(zhì)流。（2）信息是包含在信號中的，并非信號或其一部分的本體，因而是需要主體從信號中提取的。（3）與信號和信息關(guān)聯(lián)的另一個概念是“消息”。消息是有語義的，它是物質(zhì)系統(tǒng)的屬性存在值在信號中的表達(dá)的語言形式。但消息能否成為信息，則在于主體的加工效果及其對主體的意義。（4）所謂的有意義或有價值是指，在這些信息的指導(dǎo)下，主體作出了某些行為決定，或改變了某種思想認(rèn)識，或從中導(dǎo)出了新的知識。信息在主體的行為或思想變化中起了某種限制或規(guī)定性的作用。18第2章系統(tǒng)工程基本理論信息的特征

現(xiàn)代科學(xué)證明信息歸根結(jié)底是物質(zhì)的一種屬性，信息不能離開物質(zhì)而單獨(dú)存在，客觀世界和人的大腦中都不存在與物質(zhì)相分離的信息。但信息又是一種非常特殊的物質(zhì)屬性，一種迄今為止自然科學(xué)尚無法全面解釋的物質(zhì)屬性。與物質(zhì)的其他屬性不同，信息的功能是表征物質(zhì)客體成分、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、特性、行為、功能、演化趁勢等。一個系統(tǒng)的信息只能在與其他系統(tǒng)的相互作用以及相互關(guān)系中表現(xiàn)出來。信息不同于物質(zhì)和能量，具有不守恒性、共享性

19第2章系統(tǒng)工程基本理論信息的性質(zhì)

信息附著于一定的載體之上，具有下面一些性質(zhì)：（1）信息具有整體性。（2）信息有多種多樣的存在或儲存方式。（3）信息具有可復(fù)制性。（4）信息存在變異風(fēng)險。20第2章系統(tǒng)工程基本理論信息與系統(tǒng)

客觀世界是由物質(zhì)、能量、信息三大要素組成的。信息概念對于系統(tǒng)研究具有更廣泛的意義。自貝塔朗菲以來的系統(tǒng)科學(xué)代表人物都承認(rèn)，必須也能夠撇開對象有關(guān)物質(zhì)、能量的特殊規(guī)定性，僅僅把對象當(dāng)作系統(tǒng)來研究，但不能撇開信息來研究系統(tǒng)。系統(tǒng)作為諸多部分的統(tǒng)一整體要生存和發(fā)展，它的組分之間必須協(xié)調(diào)有序地相互作用，系統(tǒng)與環(huán)境之間也必須協(xié)調(diào)有序地相互作用。這種協(xié)調(diào)有序的相互作用，有賴于元素之間、子系統(tǒng)之間、層次之間、系統(tǒng)與環(huán)境之間合理有效的信息聯(lián)系、信息交換、信息操作。21第2章系統(tǒng)工程基本理論信息度量

信息雖然有量，但是不是所有的量都需要定義和實(shí)際測量。對信息的可量化的傳統(tǒng)定義是：信息就是通信中消除了的不確定性，亦即增加了的確定性。這是技術(shù)科學(xué)層次公認(rèn)的信息定義。實(shí)際的通信可能完全消除了接收者對某種事物知識的不確定性，也可能只是部分地消除了不確定性，甚至完全沒有消除不確定性。因此申農(nóng)把信息定義為兩次不確定性之差。22第2章系統(tǒng)工程基本理論通信系統(tǒng)模型

申農(nóng)信息論的實(shí)質(zhì)是通信理論。從通信工程角度看，人們感興趣的只是信源的統(tǒng)計(jì)特性，關(guān)心的主要是信源的信息結(jié)構(gòu)和數(shù)量特征。信息結(jié)構(gòu)由信源的可能消息集合和概率分布決定。有了信源的信息結(jié)構(gòu)，就可以計(jì)算信源的各種數(shù)量特性。通信系統(tǒng)模型23第2章系統(tǒng)工程基本理論信息論對于系統(tǒng)工程方法的貢獻(xiàn)