《系统工程理论基础》

1、 系统工程系统工程 哈尔滨工业大学管理学院哈尔滨工业大学管理学院 张庆普张庆普 zzqp2000126 5/9/20241整理ppt第二章第二章 系统工程理论根底系统工程理论根底2.1 系统科学的学科体系系统科学的学科体系钱学森提出现代科学技术的体系结构钱学森提出现代科学技术的体系结构 首先是工程技术这一层次，其次是直首先是工程技术这一层次，其次是直接为工程技术提供理论根底的技术科接为工程技术提供理论根底的技术科学这一层次，然后是根底科学这一层学这一层次，然后是根底科学这一层次，最后通过进一步综合、提炼到达次，最后通过进一步综合、提炼到达最高概括的马克思主义哲学，如图最高概括的马克思主义哲学，如图21所示。钱学森又提出系统科学的体系所示。钱学森又提出系统科学的体系结构结构,如图如图22所示。所示。5/9/20242整理ppt5/9/20243整理ppt 5/9/20244整理ppt 图图2222系统科学的体系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、协同和控制的动规律。即研究系统演化、转化、协同和控制的一

2、般规律；研究系统间复杂关系的形成规律，结一般规律；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。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、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、信息交换和反响控制等功能进行分析和织结构、信息交换和反响控制等功能进行分析和设计，以实现系统的综合最优化。设计，以实现系统的综合最优化。5/9/20245整理ppt2.2 2.2 系统工程的理论根底系统工程的理论根底 系统工程宽广的理论根底及工具框架系统工程宽广的理论根底及工具框架如图如图2 2一一3 3所示。所示。图图2 2一一3 3系统工程理论根底及工具系统工程理论根底及工具5/9/20246整理pptn控制论控制论n “控制论是以研究各种系统共同存在的控控制论是以研究

3、各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。制规律为对象的一门科学。n控制论的产生与开展控制论的产生与开展n维纳维纳Norbert Wiener于于1948年出版了年出版了?控制论控制论?一书，他对控制论一书，他对控制论Cybernetics的定义是：的定义是：n“关于动物和机器中控制和通信的科学。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：维纳的控制论阐述了两个根本观念：n 5/9/20247整理ppt一切有生命、无生命系统都是信息系统。无论是一切有生命、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。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。控制机制。控制论的开展经历了三个时期控制论的开展经历了三个时期.从从2020世纪世纪4040年代末年代末到到5050年代是第一个时期，即经典控制理论时期。年代是第一个时期，即经典控制理论时期。控制

4、论开展的第二个时期为控制论开展的第二个时期为2020世纪世纪6060年代，即现年代，即现代控制理论时期。代控制理论时期。2020世纪世纪7070年代以后是第三个时年代以后是第三个时期，即大系统控制理论时期。期，即大系统控制理论时期。5/9/20248整理pptl控制论的根本概念和分类控制论的根本概念和分类l控制系统的构成控制系统的构成:由施控器、受控器和控制由施控器、受控器和控制作用的传递者三个局部所组成。图作用的传递者三个局部所组成。图2一一4 闭闭环控制系统框图环控制系统框图5/9/20249整理ppt控制系统的分为开环控制系统和闭环控制系统控制系统的分为开环控制系统和闭环控制系统 1.1.开环控制系统：由系统的输入直接控制着它开环控制系统：由系统的输入直接控制着它的输出的，没有反响回路，对环境的适应能力差，的输出的，没有反响回路，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。统才能正常发挥作用。2.2.闭环控制系统：具有反响回路的控制系统。闭环控制系统：具有反响回路的控制系统。输出由输入和输出的回输共同

5、控制，对环境有较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响回路及反响装把输出回输到原来的控制器的反响回路及反响装置，还多了一个比较器，如图置，还多了一个比较器，如图2-42-4所示。所示。5/9/202410整理ppt控制论重点研究带有反响回路的闭环控制系统。控制论重点研究带有反响回路的闭环控制系统。控制论首要的观点是反响。正反响与负反响：如果输出反响回来放大了输入变化导致的偏差，这就是正反响；如果输出反响回来弱化了输入变化导致的偏差，这就是负反响。控制论首要的观点是反响。正反响与负反响：如果输出反响回来放大了输入变化导致的偏差，这就是正反响；如果输出反响回来弱化了输入变化导致的偏差，这就是负反响。正反响的作用是用来放大某种作用或效应；负反响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。正反响的作用是用来放大某种作用或效应；负反响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响来到达控制目的。负反响是系统稳定的根本机制。机器和

6、生物一般都通过负反响来到达控制目的。负反响是系统稳定的根本机制。5/9/202411整理ppt控制论的另一个重要观点是信息。控制系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、变换和反响来实现统是通过信息的传输、变换和反响来实现控制的。控制的。控制论对系统工程方法论的启示控制论对系统工程方法论的启示 黑箱一灰箱一白箱法黑箱一灰箱一白箱法所有的科学问题都是作为所有的科学问题都是作为“闭盒黑箱闭盒黑箱问题开始的，研究途径是利用闭盒的输问题开始的，研究途径是利用闭盒的输入和输出。入和输出。5/9/202412整理ppt黑箱指人们一时无需或无法直接观测其内部结黑箱指人们一时无需或无法直接观测其内部结构构,只能从外部的输入和输出去认识的系统。白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。介于两者之间的系统称。黑箱方法：就是采用不翻开系统黑箱方法：就是采用不翻开系统“活体，通过活体，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

7、机理的研究方系统的功能特性，探索其结构和机理的研究方法。任何时候，人们总得采用不翻开黑箱的方法。任何时候，人们总得采用不翻开黑箱的方法研究事物，解决问题。法研究事物，解决问题。5/9/202413整理ppt灰箱方法那么指对系统有局部的认识，但不够完全。灰箱方法那么指对系统有局部的认识，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。面的知识可以参考灰色系统理论的有关书籍。功能模拟法功能模拟法以功能和行为的相似性为根底，用模型模仿原型的功以功能和行为的相似性为根底，用模型模仿原型的功能和行为的一种方法。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，但到达了蝇眼式照相机。它们的构造物质截然不同，但到达了功能上的模拟。这种方法实际上是把研究对象作为一功能上的模拟。这种方法实际上是把研究对象作为一种黑箱。种

8、黑箱。5/9/202414整理ppt 信息论信息论信息论的产生与开展信息论的产生与开展于于20世纪世纪40年代末产生，其主要创立者是美年代末产生，其主要创立者是美国的数学家申农和维纳。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的信息量、信道传输消息的通道容量以及消息的编码问题。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、信息噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。处理等问题。广义信息论：包括前两项的研究内容，还包广义信息论：包括前两项的研究内容，还包括所有与信息有关的领域。括所有与信息有关的领域。5/9/202415整理pptl信息论的根本概念信息论的根本概念l信息的定义信息的定义l申农将信息定义为申农将信息定义为“两次不定性之差，即两次不定性之差，即“不定不定性减少的量。性减少的量。l信息信息(量量)=通信前的不确定性通信前的不确定性通信后尚存的不确通信后尚存的不确定性定性 l 2-1l从通信角度看，信息是

9、数据、信号等构成的消息从通信角度看，信息是数据、信号等构成的消息所载有的内容。消息是信息的所载有的内容。消息是信息的“外壳，信息是消外壳，信息是消息的息的“内核。内核。l从实用角度看，信息是指能为人们所认识和利用从实用角度看，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。的，但事先又不知道的消息、情况等。l维纳那么认为：信息不是物质也不是能量，在信维纳那么认为：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。的组织性的量度。5/9/202416整理ppt信息概念的特点信息概念的特点信息源于运动，事物都具有信息表征。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。信息的使用价值具有相对性。信息具有时效性。信息具有时效性。信息不遵守

10、能量守恒定律。信息不遵守能量守恒定律。5/9/202417整理ppt信息、物质、能量的比较信息、物质、能量的比较 表表2一一1物质、能量、信息三者的比较物质、能量、信息三者的比较5/9/202418整理ppt通信问题的模型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。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，如图申农通信系统结构模型，如图2-5所示。所示。图图2一一5申农通信系统结构模型申农通信系统结构模型5/9/202419整理ppt信息量信息量度量信息大小的量。信源产生的通信信息，正是概率度量信息大小的量。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。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，如的信息量大，如Pi)1

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