第一章-系统的概念及特点课件.ppt

1、1第一章第一章 系统的概念及特点系统的概念及特点第一章第一章 系统的概念及特点系统的概念及特点内容：内容：介绍系统的概念、特征、结构与功能、介绍系统的概念、特征、结构与功能、系统理论与系统科学的研究现状和发展趋势。系统理论与系统科学的研究现状和发展趋势。要求：要求：学生应理解系统的相关概念。了解系学生应理解系统的相关概念。了解系统理论与系统科学领域近几年来形成的主要统理论与系统科学领域近几年来形成的主要学术流派，并对这些学术思想的重要性和发学术流派，并对这些学术思想的重要性和发展趋势有概念性的认识。展趋势有概念性的认识。21.1系统的概念系统的概念系统的概念系统的概念系统的定义：系统的定义：“

2、系统是由两个以上有机联系、相互系统是由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成，具有特定的功能、结构和环境作用的要素所组成，具有特定的功能、结构和环境的整体。的整体。3古代朴素系统思想古代朴素系统思想一一系统思想的形成及演变系统思想的形成及演变1.1.古代朴素的系统思想古代朴素的系统思想l古代天文学家编制二十四节气古代天文学家编制二十四节气l我国讲究天时、地利、人和我国讲究天时、地利、人和 l军事方面军事方面孙子兵法孙子兵法 l在古代的建筑上，都江堰最具有代表性和系统在古代的建筑上，都江堰最具有代表性和系统性。性。4科学系统思想科学系统思想2.2.科学系统思想的形成科学系统思想的形成l 古代朴素

3、的系统思想具有古代朴素的系统思想具有“只见森林只见森林”和比较和比较抽象的观点抽象的观点 l 1515世纪下半叶以后，力学、天文学、物理学、世纪下半叶以后，力学、天文学、物理学、化学、生物学等相继从哲学的统一体中分离出化学、生物学等相继从哲学的统一体中分离出来，形成了自然科学。这时的系统思想具有来，形成了自然科学。这时的系统思想具有“只见树木只见树木”和具体化的特点。和具体化的特点。l 到了到了1919世纪自然科学得到了巨大发展，世纪自然科学得到了巨大发展，能量转能量转化、细胞学说、进化论化、细胞学说、进化论三大发现，使人类对自三大发现，使人类对自然过程相互联系的认识有了质的飞跃，为辨证然过程

4、相互联系的认识有了质的飞跃，为辨证唯物注意的科学系统观奠定了物质基础。这个唯物注意的科学系统观奠定了物质基础。这个阶段的系统思想具有阶段的系统思想具有“先见森林，后见树木先见森林，后见树木”的特点。的特点。5系统的定义系统的定义2系统的概念系统的概念韦氏大辞典中的定义是：韦氏大辞典中的定义是：“系统是有组织和系统是有组织和被组织化了的整体；结合着的整体所形成的被组织化了的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则的相互作各种概念和原理的综合；由有规则的相互作用、相互依赖的形式组成的诸要素集合等。用、相互依赖的形式组成的诸要素集合等。美国的生物学家贝塔郎菲，他是这样认为系美国的生物

5、学家贝塔郎菲，他是这样认为系统的，统的，“系统是相互作用的诸要素的综合系统是相互作用的诸要素的综合体。体。”系统的定义：系统的定义：“系统是由两个以上有机联系、系统是由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成，具有特定的功能、相互作用的要素所组成，具有特定的功能、结构和环境的整体。结构和环境的整体。6系统定义的四个要点系统定义的四个要点系统定义的四个要点：系统定义的四个要点：1.1.系统及其要素。系统及其要素。系统是由两个以上要素组成的整体，构系统是由两个以上要素组成的整体，构成这个整体的各个要素可以是单个事物（要素），也可成这个整体的各个要素可以是单个事物（要素），也可以是一群事物组成的分系统

6、、子系统等。系统与要素是以是一群事物组成的分系统、子系统等。系统与要素是一组相对的概念，取决于所研究的具体对象及其范围。一组相对的概念，取决于所研究的具体对象及其范围。2.2.系统和环境。系统和环境。任一系统又是它所从属的一个更大系统的任一系统又是它所从属的一个更大系统的组成部分，并与相互作用，保持较为密切的输入输出关组成部分，并与相互作用，保持较为密切的输入输出关系。系统连同其环境一起形成系统总体。系统与环境也系。系统连同其环境一起形成系统总体。系统与环境也是两个相对的概念。是两个相对的概念。3.3.系统的结构。系统的结构。在构成系统的诸要素之间存在着一定的有在构成系统的诸要素之间存在着一定

7、的有机联系，这样在系统的内部形成一定的结构和秩序。结机联系，这样在系统的内部形成一定的结构和秩序。结构即组成系统的诸要素之间相互关联的方式。构即组成系统的诸要素之间相互关联的方式。4.4.系统的功能。系统的功能。任何系统都应有其存在的作用与价值，在任何系统都应有其存在的作用与价值，在其运作的具体目的，也即都有其特定的功能。其运作的具体目的，也即都有其特定的功能。7系统的基本概念图系统的基本概念图图图1-1 1-1 系统的基本概念图系统的基本概念图8系统举例系统举例系统在生活中的例子系统在生活中的例子例如，汽车是一个系统。它是由轮胎、发动机、传例如，汽车是一个系统。它是由轮胎、发动机、传动系统、

8、车体等相互联系和彼此影响的部件组成的一动系统、车体等相互联系和彼此影响的部件组成的一个整体。这些部件组成在一起可以去完成交通运输的个整体。这些部件组成在一起可以去完成交通运输的特定功能。特定功能。又如某个城市是一个系统。它是由交通系统、资源又如某个城市是一个系统。它是由交通系统、资源系统、商业系统、市政系统、卫生系统等相互作用着系统、商业系统、市政系统、卫生系统等相互作用着的部件组合而成的一个整体，通过系统的各个部件相的部件组合而成的一个整体，通过系统的各个部件相互协调运转去完成城市生活和发展的特定目标。它与互协调运转去完成城市生活和发展的特定目标。它与农村以及其它城市存在着界限，通过边界在物

9、质、信农村以及其它城市存在着界限，通过边界在物质、信息、人员等方面进行交流。息、人员等方面进行交流。9系统分类系统分类三三系统的分类系统的分类1.1.按形成的原因划分按形成的原因划分 自然系统。自然系统。人造系统。人造系统。2.2.按形态划分按形态划分 概念系统。概念系统。实体系统。实体系统。10系统分类系统分类3.3.按所处的状态分按所处的状态分 静态系统。静态系统。动态系统。动态系统。4.4.按与环境的关系分按与环境的关系分 封闭系统。封闭系统。开放系统。开放系统。主要明确主要明确SESE研究什么样的系统问题研究什么样的系统问题11系统的特性系统的特性1.21.2系统的特性系统的特性 一一

10、整体性整体性 整体性是系统最基本、最核心的特性，是系统性最集整体性是系统最基本、最核心的特性，是系统性最集中的体现。中的体现。系统的整体性主要表现为系统的整体功能，系统的整系统的整体性主要表现为系统的整体功能，系统的整体功能不是各组成要素功能的简单叠加，也不是由组体功能不是各组成要素功能的简单叠加，也不是由组成要素简单地拼凑，而是呈现出各组成要素所没有的成要素简单地拼凑，而是呈现出各组成要素所没有的新功能，可概括地表达为新功能，可概括地表达为“系统整体不等于其组成部系统整体不等于其组成部分之和分之和”，而是，而是“整体大于部分之和整体大于部分之和”。12二二相关性相关性系统内部各部件之间存在着

11、相互联系、相互依存、相互系统内部各部件之间存在着相互联系、相互依存、相互制约的关系。它们通过特定的关系结合在一起，形制约的关系。它们通过特定的关系结合在一起，形成一个具有特定性能的系统。成一个具有特定性能的系统。贝踏朗菲用一组独立微分方程描述了系统的相关性，即贝踏朗菲用一组独立微分方程描述了系统的相关性，即式中：式中：Q1,Q2,Q1,Q2,Qn,Qn分别为分别为1 1，2 2，n n个要素的特征；个要素的特征；t t为时间；为时间；f1,f2,f1,f2,fn,fn表示相应的函数关系。表示相应的函数关系。),.,(),.,(),.,(2121222111nntnntntQQQfddQQQQf

12、ddQQQQfddQ系统的特性系统的特性13系统的特性系统的特性三三目的性目的性 系统活动本身都具有明确的目的。系统各部件就是系统活动本身都具有明确的目的。系统各部件就是为实现系统的即定目标而协调于一个整体之中，并为实现系统的即定目标而协调于一个整体之中，并为此进行活动。系统活动的输出响应就是系统目的为此进行活动。系统活动的输出响应就是系统目的性的反映。性的反映。目的树目的树14系统的特性系统的特性四四环境适应性环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境之中，都与外任何一个系统都存在于一定的环境之中，都与外界环境进行着物质、能量和信息的交换。一个系界环境进行着物质、能量和信息的交换。一个系统要

13、能生存和具有活力，就必须适应外部环境的统要能生存和具有活力，就必须适应外部环境的变化。变化。15系统理论系统理论1.4系统理论系统理论一一现代系统科学体系现代系统科学体系系统科学体系16系统理论系统理论二二系统理论系统理论 在系统科学中，构成系统学的几个基本理论是：在系统科学中，构成系统学的几个基本理论是：一般系统理论、运筹学、控制论、信息论、协一般系统理论、运筹学、控制论、信息论、协同论、突变论和耗散结构等。其中同论、突变论和耗散结构等。其中一般系统理一般系统理论、控制论和信息论论、控制论和信息论称为称为“老三论老三论”；协同论、协同论、突变论和耗散结构突变论和耗散结构称为称为“新三论新三论

14、”。17一般系统论一般系统论1.4.1一般系统论一般系统论（general system theory)一一历史背景历史背景 19371937年美籍奥地利生物学家冯年美籍奥地利生物学家冯.贝塔朗菲在对生物学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，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。因此就开始了理对生命的理解和认识反而越来越少。因此就开始了理论生物学研究，创立了一般系统论。论生物学研究，创立了一般系统论。19451945年年关于一关于一般系统论般系统论的发表，成为系统论形成的标志。的发表，成为系统论形成的标志。二二含义和宗旨含义和

15、宗旨 一般系统论是贝塔朗菲创立的逻辑和数学领域的科学，一般系统论是贝塔朗菲创立的逻辑和数学领域的科学，其目的是为了要建立适用于系统的一般原则。一般系其目的是为了要建立适用于系统的一般原则。一般系统论起源于机体论，它是一种与机械论相对立的生物统论起源于机体论，它是一种与机械论相对立的生物学理论。学理论。18一般系统论一般系统论机械论的三个基本错误：机械论的三个基本错误：简单分解，简单相加的原理简单分解，简单相加的原理机械观点机械观点被动反应观点被动反应观点冯冯.贝塔朗菲提出适用于系统的一般原则：贝塔朗菲提出适用于系统的一般原则：整体性原则整体性原则相互关联原则相互关联原则 有序性原则有序性原则动

16、态原则动态原则贝塔朗菲从理论生物学的角度总结了系统思想，运用类比、同构贝塔朗菲从理论生物学的角度总结了系统思想，运用类比、同构的方法建立起开放系统的一般系统论，提出生命现象的有组织性、的方法建立起开放系统的一般系统论，提出生命现象的有组织性、有目的性和有序性。如果我们把研究对象当作一个系统有目的性和有序性。如果我们把研究对象当作一个系统有机有机整体，就完全可以用贝塔朗菲的系统论。整体，就完全可以用贝塔朗菲的系统论。19控制论控制论1.4.2控制论（控制论（Cybernatics）一一控制论发展的历史控制论发展的历史第一阶段：从第一阶段：从2020世纪世纪4040年代末到年代末到5050年代，年

17、代，经典控制理论时期。经典控制理论时期。19481948年维纳年维纳控制论控制论提出科学提出科学思想、系统思想。思想、系统思想。19541954年钱学森年钱学森工程工程控制论控制论工程实践。工程实践。主要的研究对象是单因素控制系统主要的研究对象是单因素控制系统，重点是反馈控制。只解决单输入和单输重点是反馈控制。只解决单输入和单输出系统的控制问题。出系统的控制问题。20控制论控制论第二阶段：第二阶段：6060年代，现代控制理论时期年代，现代控制理论时期 美国科学家卡尔曼美国科学家卡尔曼(kalman(kalman)将量子力学内容将量子力学内容引入到控制论中。引入到控制论中。研究对象是多输入和多输

18、出研究对象是多输入和多输出系统的非线性控制系统。系统的非线性控制系统。重点是研究最优控制。重点是研究最优控制。第三阶段：进入第三阶段：进入7070年代以后，大系统理论控制时年代以后，大系统理论控制时期期 研究对象是因素众多的大系统研究对象是因素众多的大系统，重点是大系，重点是大系统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联机和智能机器，应用领域主要为社会系统、经机和智能机器，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。济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。21控制论控制论二二控制系统分类控制系统分类1.按控制任务分类按控制任务分类 1

19、.定值控制定值控制2.程序控制程序控制3.随动控制随动控制4.最优控制最优控制2.按控制方式按控制方式 l简单方式简单方式22控制论控制论l 补偿控制补偿控制l反馈控制反馈控制l递阶控制递阶控制 23控制论控制论三三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 1.1.黑箱黑箱灰箱灰箱白箱法白箱法 2.2.功能模拟法功能模拟法 功能模拟法就是以功能和行为的相似性功能模拟法就是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为基础，用模型模仿原型的功能和行为的一种方法。的一种方法。3.3.形式化、数量化、最优化方法形式化、数量化、最优化方法 控制论的提出促使人们对系统采用形式控

20、制论的提出促使人们对系统采用形式化加以抽象，进行数量化加以定量描述，化加以抽象，进行数量化加以定量描述，并求系统的最优化。并求系统的最优化。24信息论信息论1.4.31.4.3信息论信息论一一发展历史发展历史十九世纪人们开始研究信息十九世纪人们开始研究信息19481948年美国数学家申农（年美国数学家申农（C.E.ShannonC.E.Shannon）发）发表了表了通信的数学理论通信的数学理论，正式提出了信，正式提出了信息论。息论。25信息论信息论二二信息的概念信息的概念“情报情报”“知识知识”“消息消息”是信息的载体是信息的载体“信号信号”HartlyHartly：是在通信符号中选择符号的具

21、体方式。：是在通信符号中选择符号的具体方式。维纳：信息不是物质也不是能量，在信息与物质、维纳：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；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。信息是系统的组织性的量度。申农：信息是事物运动转台存在方式的不确定性的申农：信息是事物运动转台存在方式的不确定性的描述。描述。信息信息=通信前的不确定性通信前的不确定性-通信后的不确定性。通信后的不确定性。26信息论信息论通信问题的模型通信问题的模型27信息论信息论三三信息

22、的度量信息的度量令令P P记可能消息记可能消息A A发生的概率发生的概率 I I记可能消息携带信息量记可能消息携带信息量特征特征P P小小I I大，大，P P大大I I小小I=f(P)I=f(P)可加性可加性I(AB)=I(A)+I(B)I(AB)=I(A)+I(B)定义单个可能消息的信息量为定义单个可能消息的信息量为 ppI1loglog22比特（bit）28信息论信息论四四信息熵信息熵 设有一个实验设有一个实验A A（随机事件）有（随机事件）有n n个可能结局的个可能结局的事件：事件：x1,x2,x1,x2,xn,xn,每个事件出现的概率分别是每个事件出现的概率分别是p1,p2,p1,p2,pn,pn且满足下列条件且满足下列条件1101niiipp定义定义niiippH12log 信息熵公式信息熵公式29系统学系统学钱学森 我认为把运筹学、控制论和信息论同贝塔朗菲（一般系统论）、普利高津（耗散结构理论）、哈肯（协同学）、艾根（超循环理论）等人的工作融会贯通，加以整理，就可以写出系统学这本书了。