《系统工程理论》 (2)

1、第二讲 系统工程理论李刚西安交通大学管理学院整理ppt第二讲:系统工程理论n第一节：系统工程的理论根底n第二节：系统工程理论的新开展整理ppt系统工程的理论根底一、控制论1、控制论的产生与开展1947年由美国人维纳NorbertWiener创立的控制论Cybernetics是一门研究系统的控制的学科。维纳于1948年出版了?控制论?一书，他对控制论的定义是：“关于动物和机器中控制和通信的科学。整理ppt系统工程的理论根底控制论的开展已大致经历了三个时期。从40年代末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。在这一时期，主要的研究对象是单因素控制系统，重点是反响控制，借以实现的工具是各种各样的自动调节器、伺服机构及其有关的电子设备，着重解决单机自动化和局部自动化问题。控制论开展的第二个时期为60年代，即现代控制理论时期。这一时期，控制论的主要研究对象就成了多因素控制系统，研究重点是“最优控制，研究借助的工具是电子计算机。整理ppt系统工程的理论根底n 进入70年代以后，是大系统控制理论时期。在这一时期，主要研究对象是因素众多的大系统，重点是大系统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联机

2、和智能机器，应用领域主要为社会系统、经济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。整理ppt系统工程的理论根底n控制论的根本概念n控制系统由施控器、受控器和控制作用的传递者三者组成，形成一个整体的控制功能和行为，但这又是相对于某种环境而言。因而可以把施控器、受控器和控制作用的传递者三个局部所组成的、相对于某种环境而具有控制功能与行为的系统，称为控制系统整理ppt输入偏差控制输出反馈施控器受控器检测器比较器环境闭环控制系统框图 整理ppt系统工程的理论根底n系统稳定性n负反响n正反响n系统的结构n层次性n相对性n较高层次具有较高的复杂性。系统与要素是相对于系统的等级和层次而言的。一般说来，高一级的结构层次对低一级的结构层次有着制约性，而低一级结构又是高一级结构的根底，低一级结构层次反作用于高一级结构层次，它们之间的关系是辨证的。整理ppt系统工程的理论根底n各层次都有其最正确规模n结构稳定性n结构开放性和动态性整理ppt系统工程的理论根底n控制论对系统工程方法论的启示n黑箱灰箱白箱法n黑箱永远有，白箱永不白 n功能模拟法 n形式化、数量化、最优化方法整理ppt系统工程的理论根底n控制论对系统

3、工程方法论的启示n功能模拟法n功能模拟方法，就是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。电子计算机的创造就是功能模拟法应用成功的一个例子，早期的计算机就是从模拟人的计算功能开始的，但这种模型在外形和结构上与原型已很不一样。整理ppt系统工程的理论根底n控制理论分支与系统研究各方面的对应关系n控制论分支与系统工程研究的分类表结构方面行为方面反馈性能能控性、能观性可靠性大系统理论稳定性最优化滤波、随机控制鲁棒性自适应、自组织、自学习人工智能和模式识别整理ppt系统工程的理论根底n信息论n信息论于本世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家申农C.E.Shannon和维纳n人们根据不同的研究内容，把信息论分成三种不同的类型n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n一般信息论：主要研究通讯问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题n广义信息论：不仅包括前两项的研究内容，而且包括所有与信息有关的领域整理ppt系统工程的理论根底n信息 n申农将信息定义为“两次不定性之差，即“不定性的减少的量。从通讯角

4、度看，信息是数据、信号等构成的消息所载有的内容。n消息是信息的“外壳，信息是消息的“内核。在同样一条消息中，对不同的人来讲，可能信息量很大，也可能信息量很小，甚至为零。n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。也就是说信息对于收信者来说，应该是有用的和未知的东西。n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；信息是控制系统进行调节活动时，与外界相互作用、相互交换的内容；信息是系统的组织性的量度。整理ppt系统工程的理论根底n信息的特点n信息源于运动n信息可以被感知、处理和利用n信息具有知识秉性，能消除不确定性n信息依赖于物质并在物质上传递、存储，但有不同于物质n信息的使用价值具有相对性n信息具有时效性n信息不守恒整理ppt系统工程的理论根底n信息论的启示n信息论研究运用了类比方法和统计方法n信息论运用了科学抽象和类比方法，将消息、信号、情报等不同领域中的具体概念，进行类比、抽象出了信息概念、抽象出了信息论模型n针对信息的随机性特点，运用了统计数学概率论与随机过程解决了信息量问题。并扩展了信息概念，壮大了语义信息、有效信息

5、、主观信息、相对信息、模糊信息等方面的内容整理ppt系统工程的理论根底整理ppt系统工程的理论根底n信息论的启示n运用信息的方法处理问题n把系统题有目的的运动抽象为一个信息交换过程信息输入信息存储信息处理信息输出信息反响整理ppt系统工程的理论根底表现形式变化过程守恒熵物质能量信息电子、细胞等引力、热等信号等扩散、传递能量转化传递、存储物质不灭能量守恒不守恒热力学第二定律信息熵整理ppt系统工程的理论根底n一般系统论的产生一般系统论的产生n实验科学时代的复原论；实验科学时代的复原论；n经典自然科学中复原论占统治地位，把研究对经典自然科学中复原论占统治地位，把研究对象进行一层层地不断分解至根本单元，分解隔象进行一层层地不断分解至根本单元，分解隔离为不同因果链，研究其根本单元因素，认为离为不同因果链，研究其根本单元因素，认为根本单元弄清了，因果量与因素弄清了，对象根本单元弄清了，因果量与因素弄清了，对象也就研究清楚了。这样的方法论和观点在古典也就研究清楚了。这样的方法论和观点在古典自然科学中曾取得了很大成功，从而对其他科自然科学中曾取得了很大成功，从而对其他科学研究产生了巨大影响。学研究产

6、生了巨大影响。n生物学中机械论与活力论之争；生物学中机械论与活力论之争；n机械论认为一种原因导致一种结果。用分析方机械论认为一种原因导致一种结果。用分析方法把生物问题化为物理、化学问题来研究。通法把生物问题化为物理、化学问题来研究。通过对生物进行分解生物过对生物进行分解生物系统系统器官器官组织组织细胞研究，最终导致分子生物学产生，破细胞研究，最终导致分子生物学产生，破译了遗传密码，取得了显赫的成就。但对更高译了遗传密码，取得了显赫的成就。但对更高层次的问题却仍然知之不多，如生命现象、生层次的问题却仍然知之不多，如生命现象、生命组织。命组织。n分析方法侧重于分析事物的各个局部。分析方分析方法侧重于分析事物的各个局部。分析方法的应用取决于两个前提：局部之间的相互作法的应用取决于两个前提：局部之间的相互作用不存在，或其弱得可以在某些研究中忽略；用不存在，或其弱得可以在某些研究中忽略；描述局部行为的关系式是线性的。因而这种方描述局部行为的关系式是线性的。因而这种方法在处理各局部间有紧密联系的系统及非线性法在处理各局部间有紧密联系的系统及非线性系统问题上有局限性。系统问题上有局限性。；整理ppt

7、系统工程的理论根底n一般系统论的产生 n本世纪二十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来越多，反而会失去全貌，对生命的理解和认识反而越来越少。因此开始了理论生物学研究，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。整理ppt系统工程的理论根底n一般系统论的根本观点n系统的整体性n系统的开放性n系统的动态相关性n系统的层次等级性n系统的有序性整理ppt系统工程的理论根底n 系统方法论告诉我们要以系统的观点去看整个世界，不能片面、孤立地看问题。系统方法论主张以思辨原那么代替实验原那么，不能机械地看问题，尤其是在处理复杂、有机程度高的系统时，这一点显得尤为重要。n系统方法论主张以整体论代替复原论。n对事物的层层剖析，弱化事物各局部间的联系，认为整体是局部的简单加和，这种思想不利于从总体把握事物，对事物的整体成效认识不清。系统方法论启示我们以目的论代替因果论。n异因可以同果，为到达一定目的，可采取不同方式。人类经济社会不是偶然事件的产物，而是有目的性的复杂系统，研究问题的出发点是认识其目的、效劳于目的 整理ppt系统工程的理论根底n

8、系统方法n整体性n整体出发、从系统目标出发进行研究，注意各要素间的相关关系。整体不等于各局部之和。如解决环保问题，就要将环境、能源、生产、经济统为一体，不能以孤立的观点来认识环境问题。n动态性n从时间轴上看其产生、开展过程及前景。如开发新产品时要注意开发时间与技术更新。n最优化n要求的整体最优，而不拘泥于局部最优。整理ppt系统工程的理论根底n耗散结构理论n平衡结构：稳定有序的死结构n耗散结构：突变形成，稳定的活结构，需要交换物质、能量和信息n系统的熵n进化与退化n进化：无序有序n退化：有序无序n系统必须是远离平衡态的开放系统n系统内部具有非线性动力学机制n自组织临界性n无序有序的转化n系统的演化整理ppt系统工程的理论根底n协同学n哈肯创立协同学n激光现象：丰富合作的结果n从无序到有序是不平衡、非平衡或者距离平衡态的距离n协同有序原理n支配原理n自组织原理整理ppt系统工程的理论根底n协同学与耗散结构小结n耗散结构要求系统开放、远离平衡态、有物质、能量交换，以及内部的非线性机制n负熵产生促进内部协同的促协力n子系统之间的促协力决定系统未来n耗散结构惯性原理n合并溶合原理n突发干扰整理

9、ppt系统工程的理论根底n突变论n法国数学家勒内托姆于1972年创立n以往的数学只能解决连续变化离散连续问题，渐变论是学术界的主导思想，对那些突然出现的非连续性变化显得无能为力，不能解释突变问题。n突变理论从量的角度研究各种事物的不连续变化问题，进行从量变到质变的研究。n它用形象而精确的数学模型来模拟突变过程，其要点在于考察这一过程从一种稳态到另一种稳态的跃迁。n运用的数学工具主要为拓扑学、奇点理论和结构稳定性理论 整理ppt系统工程的理论根底n突变论以稳定性理论为根底，通过对系统稳定性的研究，说明了稳定态与非稳定态，渐变与突变的特征及其相互关系，揭示了突变现象的规律和特点 n稳定机制是事物的普遍特性之一，是突变论阐述的主要内容，事物的变化开展是其稳定态与非稳定态交互运行的过程。整理ppt系统工程的理论根底n质变可以通过渐变和突变两种途径来实现，如水在常压下的沸腾是通过突变来实现的，而语言的演变那么是一个渐变过程。n质变到底是以哪种方式来进行的，关键是要看质变经历的中间过渡态是不是稳定的。如果是稳定的，那么就是通过渐变方式到达质变的；如果不稳定，就是通过质变方式到达的。n在一种稳定态中

10、的变化属于量变，在两种结构稳定态中的变化或在结构稳定态与不稳定态之间的变化那么是质变。量变必然表达为渐变，突变必然导致质变，而质变那么可以通过突变和渐变两种方式来实现。整理ppt系统工程的理论根底n运筹学n线性规划n在经营管理工作中，往往碰到如何恰当地运转由人员、设备、材料、资金、信息、时间等因素构成的体系，以便最有效地实现预定工作任务的问题。这一类统筹方案问题用数学语言表达出来，就是在一组约束条件下寻求一个目标函数的极值问题。如果约束条件表示为线性方程式，目标函数表示为线性函数时，就叫线性规划。n一般线性规划的数学模型为要求目标函数实现最大化或最小化n由m种有限资源构成的一组约束条件n ，n各变量不能取负值，即n如果在所要考虑的数学规划问题中，目标函数与约束条件是非线性的，就叫非线性规划问题。如果断策变量中要求取值必须满足整数的线性规划问题，就称为整数规划。整理ppt系统工程的理论根底n动态规划n它是将一个复杂的多段决策问题分解为假设干相互关联的较易求解的子决策问题，以寻求最优决策序列的方法，如研究水利资源多级分配的优化问题 n排队论n它研究排队现象的统计规律性，并用以指导效劳系统的

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