第一章系统与系统理论概述课件.ppt

1、第一章 系统与系统工程基础第一节 系统与系统理论第二节 系统工程.第一节 系统与系统理论1.系统概念.2.系统的形态.3.系统的特征.4.系统的结构与功能.5.系统的环境6.系统理论简介.什么是系统意义？n在现实生活和理论探讨中，凡是着眼于处理部分与整体、差异与统一、结构与功能、自我与环境、有序与无序、合作与竞争、行为与目的、阶段与全过程等相互关系的问题，都是具有系统意义的问题。系统科学是一门新的基础学科n不可把系统科学看成是交叉科学或边缘科学n系统科学是科学重新统一的历史需要1.系统的概念.n古希腊：事物中共性部分和每一事物应占据的位置，也就是部分组成整体的意思。n冯.贝塔朗菲（1937）：

2、相互作用的诸要素的综合体。n钱学森：系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分（要素）结合而成的、具有特定功能的有机整体。要素n要素是构成系统的最小单位。n系统必须由两个以上的要素（部分、元素）所组成。n要素与要素之间存在着一定的有机联系。n系统与要素的相互作用系统与要素的相互作用n系统通过整体作用支配和控制要素n要素通过相互作用决定系统的特性和功能n系统和要素的概念是相对的 P功能 n任何系统都有特定的功能，这是整体具有不同于各个组成要素的新功能，这种新功能是由系统内部的有机联系和结构所决定的。2.系统的形态.2.1 自然系统与人造系统.2.2 开放系统与封闭系统.2.3 实体系统与概念系统.

3、2.4 动态系统与静态系统.2.5 白色系统、灰色和黑色系统.2.6 线形系统和非线形系统.2.1 自然系统与人造系统n自然系统是由自然物质（矿物、植物、动物、海洋等）形成的系统。大气系统、海洋系统，生态系统等.n人造系统是为了达到人类所需要的目的，由人类设计和建造的系统。工程技术系统、经营管理系统、科学技术系统等.2.2 开放系统与封闭系统n封闭系统是指与外界环境不发生任何形式交换的系统.n开放系统是指系统内部与外界环境有相互关系，能进行能量、物质和信息交换的系统.系统的环境n广义的来讲，一个系统之外的一切事物或系统的总和。n系统的边界.2.3 实体系统与概念系统n实体系统是以矿物、生物、能

4、源、机械等实体组成的系统.n概念系统是由概念、原理、原则、方法、制度、程序等观念性的非物质实体所组成的系统.2.4 动态系统与静态系统n静态系统是其固有的状态参数不随时间改变的系统.n动态系统是系统状态变量随时间改变的系统。一切实际存在的系统原则上都是动态系统.连续系统和离散系统n连续系统：在实数集或闭子集上连续取值的时间t，称为连续时间。状态变量为连续时间函数的系统，称为连续系统。n离散系统：状态变量仅在离散时间上出现或被观察到的系统.静态系统静态系统基于这样一个假设：系统状态的转移可以在瞬间完成。这意味着系统有无限多的储能可以利用.2.5 白色系统、灰色和黑色系统n白色系统：一目了然n灰色

5、系统：一知半解n黑色系统：一窍不通.2.6 线形系统和非线形系统n线形系统：能够用线形数学模型描述的系统.n线形系统在数学处理上十分简便，因此广泛应用.线形关系n线形与非线形原本是一对数学概念，用以区别不同变量间的两种基本关系。n变量之间最简单、最基本的关系是函数关系，即因变量对自变量的依存关系，因变量与自变量成比例的变化，即变化过程中二者的比值不变，称为线形函数。n叠加原理和齐次性 .非线形关系n变比特性n饱和特性n非单调性n震荡特性n多值响应特性n循环特性n间断（跳跃）特性n失灵特性n折叠特性.3.系统的特征.n3.1 整体性.n3.2 相关性.n3.3 目的性.n3.4 环境适应性.3.

6、1 整体性.系统的整体性主要表现为系统的整体功能，这种整体功能不是各组成要素功能的简单叠加，而是呈现出各组成要素所没有的新功能。“整体不等于部分和”Fs、=、F1+F2+F3+Fi2整体等于于部分和：Fs=F1+F2+F3+Fi3整体小于部分和：Fs F1+F2+F3+FiFs:系统的整体功能Fi:各要素的功能(i=1,2,3n)整体性的体现 n系统量：指系统在组分上表现出来的量，他们在组分上不可理解或不能被发现。n系统质：整体与部分之间存在某种可以比较的同质特性。3.2 相关性.n系统内的各要素相互作用又相互联系。系统中任一要素与该系统中的其他要素是相互关联、互相制约的，如果某一要素发生了变

7、化，对应的其它相关联的要素也要相应的改变和调整，从而保持系统整体的最佳状态。3.3 目的性.n元素和元素的组合所没有的，只有在整体中才能体现出来，一旦系统分解，便不复存在。n系统特有的目的性。3.4 环境适应性.4 系统的结构与功能.n4.1系统的结构.n4.2 系统的功能.n4.3 结构与功能的关系4.1 系统的结构.n4.1.1结构的基本概念.n4.1.2结构的特点 .4.1.1结构的基本概念指系统内部各组成要素之间的相互联系、相互作用的方式和秩序，即各要素在时间和空间上的排列组合的具体形式。空间结构：雪花 钻石 煤渣 时间结构：系统运行过程中呈现出来的内在时间规律。如：天体的运行轨道 生

8、物钟 时空混合结构：树的年轮 .4.1.2 结构的特点.n1.稳定性.n2.层次性.n3.开放性.n4.相对性.1.稳定性“稳定”是指系统整体状态能够持续出现，可以静态稳定存在，也可以动态稳定存在。系统结构的稳定性指系统总是趋向于保持某一状态。水（液态）水蒸气（气态）冰（固态）暂态和定态暂态和定态：暂态（瞬态）：系统可以在某个时刻到达，但不借助外力就不能保持或不能回归的状态。定态：系统到达后若无外部作用将保持不变或可以回归的状态。稳定的意义n系统在充满各种扰动因素的环境中产生出来并存续运行，受到扰动后能恢复和保持原来行为的恒定性，就是稳定性问题，稳定性是系统的重要维生机制，稳定性愈强，意味着系

9、统维生能力愈强。从实用角度看，只有满足稳定性要求的系统，才能正常运转并发挥功能。.2.层次性.n系统结构的层次性包含等级性和多侧面性两重含义：n研究和理解系统结构的层次性，有助于人们根据各类系统结构层次的特殊规律去进行科学的决策，合理的调整和管理，从而提高系统的功能。等级性等级性是指任何一个复杂系统，都可以从纵向上把系统分为若干等级（层次），其中低一级的系统结构是高一级系统结构的有机组成部分。如：社会的阶级、国家的行政区划（国、省、市、县、区、乡.）、企业的金字塔结构等。多侧面性.n多侧面性是指任何同一级的复杂系统，又可以从横向上分为若干相互联系而又各自独立的平行部分。3.开放性.在系统世界中

10、，任何系统都不可能是绝对封闭和绝对静态的，任何系统总存在于环境之中，总要环境进行交换，系统结构在这种交换过程中从量变到质变，这就是系统结构的开放性，任何系统在本质上都是开放的，总处于不断变化过程中，这是系统与环境互塑共生的必然结果。4.相对性 n系统结构与要素之间的相对性客观世界是无限的，系统的结构形式也是无限的。系统结构的层次性决定了系统结构和要素之间的相对性，结构与要素是相对于系统的等级和层次而言的，所以，系统结构的层次性决定了系统结构与要素的相对性。相对性的意义.n树立相对性的观点，使人们在认识事物时，可以减少简单化和绝对化：即注意到“整体”和“部分”的关系，求得统一和和谐，同时又要注意

11、到“部分”作为一个子系统的个性特点。一般说来，高一级的结构层次对低一级的结构层次有着较大的制约性，而低一级结构又是高一级结构的基础，它也反作用于高一级的结构层次，他们之间具有辨证的关系。4.2 系统的功能.n4.2.1 功能的基本概念.n4.2.2 功能的特点.4.2.1 功能的基本概念.系统与外部环境相互作用所反映的能力称为系统的功能。4.2.2 功能的特点.1.整体性.2.易变性.3.相关性.4.控制性.1.整体性.n在系统功能的概念中，要着重强调对其整体性的理解，它是一个集各种功能、要素于一体的整体。2.易变性.n系统的功能往往随环境条件的变化而相应地调整它的程序、内容和方式，不断地促进

12、系统结构的变革，以使系统不断地获得新的功能。3.相关性.n要素之间互为环境相互制约n整体功能的发挥必须以要素功能的发挥为前提。n要素功能具有相对独立性。4.控制性.n在功能管理活动中，要有进行监督和控制的管理机构。4.3结构与功能的关系系统的结构决定系统的功能，结构的变化制约着系统整体的发展变化。结构是功能的内在根据，功能是要素结构的外在表现，一定的结构总是表现出一定的功能，一定的功能总是由特定的结构产生的，因此，无结构的功能和无功能的结构都是不存在的。结构与功能的关系.n1.结构决定功能.n2.功能具有反作用.n3.结构功能分析.n4.结构分析法.1.结构决定功能.n结构使系统形成了不同于诸

13、要素的新物质。n要素的行为在一定约束条件和协同作用下决定着系统的功能，“约束”和“协同”是系统结构所赋予的。2.功能具有反作用.n功能具有相对独立性，对结构有巨大的反作用。n它们相互作用而有相互转化。3.结构功能分析.n同功同构n同功异构n异构同功n异构异功4.结构分析法.n层次分析法n相关数分析法5.系统的环境n5.1 环境的基本概念n5.2 循环经济5.1 环境的基本概念n广义的来讲，一个系统之外的一切事物或系统的总和，称为该系统的环境，实际上不可能也无此必要，狭义的环境是指与系统有不可忽略的联系的事物的总和。n 1.系统与环境边界的模糊性n 2.系统与环境互塑共生原理 边界n把系统和环境

14、分开来的某种界限，叫做系统的边界。从空间结构看，边界是把系统与环境分开来的所有点的集合。从逻辑上看，边界是系统构成关系从起作用到不起作用的界限，系统质从存在到消失的界限。系统与环境的关系n系统与环境相互作用、相互联系是通过交换物质、能量、信息实现的。系统能够与环境进行交换的特性，称为开放性。系统自身抵制与环境交换的特性，称为封闭性。系统性是封闭型与开放性的对立统一。n按照系统与环境的关系，可划分出开放系统和封闭系统。系统环境互塑共生原理系统环境互塑共生原理 n环境对系统有两种相反的作用或输入，给系统提供生存发展所需要的空间、资源、激励或其它条件，是积极的作用、有利的输入，统称为资源。给系统施加

15、约束、扰动、压力甚至危害系统的生存发展，是消极的作用、不利的输入，统称为压力。n这两种作用都会在系统的形态、特性、行为等方面打上环境的烙印。n环境向系统提供资源的能力，称为源动力。环境吸纳、同化系统排泄物的能力，称为汇动力。源动力和汇动力共同构成环境对系统的支撑能力。系统的行为不当，会导致对这些能力的破坏，行为合理，能起到保护甚至发展环境支撑能力的作用。n环境塑造着环境中的每个系统，环境又是组成它的所有系统共同塑造的。n在同一环境中产生发展起来的不同系统，总体上是互补共生的。相互竞争的系统因相互提供竞争对手而互补共生。不同系统也通过相互制约而共生，如果被捕食者系统消亡，捕食者系统也会随之消亡。

16、多种多样的环境组分，通过多种多样的相互作用，形成环境超系统的复杂生态网络。5.2循环经济n(一)循环经济的内涵和原则 n(二)循环经济的三维结构 n(三）加强推广循环经济的措施 一 循环经济的内涵和原则n1.循环经济的内涵 n2.循环经济的原则 1.循环经济的内涵n循环经济是对物质闭环流动型经济的简称，即模仿自然生态系统，按照自然生态系统物质循环和能量流动规律重构经济系统，使得经济系统和谐地融入自然生态系统的物质循环过程中，实现经济与环境协调发展的一种新的经济形态。2.循环经济的原则n循环经济的要求是：不可再生资源投入最小化；污染排出最小化；资源利用最大化；对自然环境的改变最小化。n（1）Re

17、duce减量化原则n（2）Reuse再利用原则n（3）Recycle资源化原则（1）Reduce减量化原则n又称减少物质化原则，要求用较少的投入来达到即定的目的，在经济活动的源头就注意节约资源和减少污染。（2）Reuse再利用原则n要求尽量延长产品的使用期和服务的时间强度，产品和包装能够以初始的形式多次、反复地利用。（3）Recycle资源化原则n目的是尽可能多地重复利用资源。(三)循环经济的三维结构n1.环境维度从开环的末端性治理到闭环的全过程控制。n2.经济维度从数量的物质增长到质量型的服务增长。n3.人本维度从就业减少型的社会到就业增加型社会。6.系统理论简介.n6.1 一般系统论.n6

18、.2 控制论.n6.3 信息论.n6.4 耗散结构理论.n6.5 协同学理论.n6.6 突变理论.6.1 一般系统论 （general system theory).奥地利理论生物学家L.VON贝塔朗菲，1945年发表了关于一般系统论 研究复杂系统一般规律的学科基本观点.整体性开放性及目的性（有效性、适应性）动态相关性（动态性取决于相关性）等级层次性有序性（结构或空间；发展或时间）地位.n一般系统论是一门新学科，属于逻辑和数学的领域，它的任务是确立认识和分析各种系统的一般原则，为解决各种系统问题提供新的研究方法，给各门学科带来了新的动力和研究方法，沟通了自然科学、社会科学、技术科学与人文科学之

19、间的联系，为人类走向系统时代奠定了理论基础。6.2 控制论.美国数学家维纳（Norbert Wiener)于1948年出版了控制论 经典控制论现代控制论大系统控制理论 研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、建模及模型简化等。控制论n控制的基本概念.n控制的分类.n控制任务.n控制方式.控制的基本概念n维纳：控制学是关于动物、机器和社会的控制与通信的科学。n黄琳：研究在一定限制条件下，发挥能动性以实现对系统的控制的一门技术科学。n工程控制、生物控制、经济控制、社会控制等等控制的基本概念 施控者受控者-控制是一种有目的的活动-控制意味着选择-控制与信息不可分.控制任务.n定值控制：在某些控制问题上

20、，控制任务是使受控变量Y稳定地保持在预定常值上。n程序控制：控制过程中的控制作用随时间而变化，如果u=u(t)的变化规律能够预先精确确定，可以将u=u(t)的变化规律作为一种程序表示出来，控制任务就是执行这个程序。n随动控制：输入控制量u=u(t)取决于外部过程，变化规律不能预先确定。控制方式.n简单控制.n前馈控制.n反馈控制.简单控制.n不考虑系统承受的外部干扰，也不管系统对象执行控制指令的效果如何，只根据控制目标的要求和关于对象在控制作用下的可能行为的认识来制定控制指令，让对象去执行。n只布置任务，不检查效果。前馈控制.n尽可能在系统发生偏差之前，根据预测的信息采取相应的措施纠正偏差。n

21、实时监测，“防患于未然”反馈控制.n反馈就是将输出回输到原系统中去。（1920年）贝尔实验室的哈罗得.布朗克首先提出。将电子放大器输出信号在回输到其输入端。n正反馈和负反馈.n反馈控制的局限性.正反馈和负反馈.n如果目标值与输出值的差值u愈变愈大，或是不稳定，就是说，经过一系列的输入后，系统的输出值与目标值的偏差愈来愈大，离目标值愈来愈远。就是正反馈，这时的u值从总的趋势说是单调上升的，或是发散的。反之，如果u值从总的趋势说，是收敛的或单调下降而趋近于零的，则是负反馈。反馈控制的局限性.n正反馈效应n反馈信息失真，判断错误n比较器失灵，是非不清n调节方法失当，效果相反n反馈失时与反馈失度n没有

22、及时的发现问题或没有及时处理n反馈过度或反馈不足n反馈的滞后性6.3 信息论.美国数学家申农（美国数学家申农（C.E.Shannon）和维纳（和维纳（1948）通信的数学理论通信的数学理论狭义信息论：研究通讯和控制系统中信息传递的共同规狭义信息论：研究通讯和控制系统中信息传递的共同规律，以及如何提高信息传输系统的有效性和可靠性。律，以及如何提高信息传输系统的有效性和可靠性。广义：研究机器、生物和人类对于各种信息的获取、交广义：研究机器、生物和人类对于各种信息的获取、交换、传输、存储、处理、利用和控制的一般规律换、传输、存储、处理、利用和控制的一般规律（信息科学）（信息科学）以信息为主要研究对象

23、，以信息的运动规以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机、光导纤维律和应用方法为主要研究内容，以计算机、光导纤维等为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要研等为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要研究目标。究目标。信息 信息 =（通信前的 （通信后的 不确定性）不确定性）申农的一般信道模型：（噪音）信源编码信道译码信宿 6.4 耗散结构理论 （dissipative structure theory).1969；比利时统计物理学家I.普利高津 研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论，指出一个远离平衡态的开放系统，在外界条件变化达到某一特定

24、阈值时，量变可以引起质变，系统通过不断地与外界交换能量与物质，就可以从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态，这种远离平衡态的、稳定的、有序的结构称为“耗散结构”。基本观点n开放系统是产生耗散结构的必要前提n非平衡是有序之源n涨落导致有序结构结构-功能功能-涨落之间的关系涨落之间的关系 多级分支图多级分支图 6.5 协同学理论 （synergetics）.70年代初，联邦德国理论物理学家 H.哈肯 研究远离平衡态的开放系统，在保证外流的条件下，如何自发地产生一定的系统有序结构或动能行为的一门新兴学科。协同学理论研究的是从无序到有序的临界转变，深刻地反映了自然界和人类社会不断发展的演

25、变机制。自组织理论是协同学的核心。6.6 突变理论 （catastrophe theory）.60年代末，法国数学家 R.托姆 从量的角度研究各种事物的不连续变化的一个新兴数学分支，也是一般形态学的一种理论，能为自然界中形态的发生和演化提供数学模型。其它n超循环理论超循环理论（hypercycle theory）：1971，德国生物物理学家 M.艾根 研究分子自组织的一种理论。超循环理论是由德国科学家艾根(Manfred Eigen)于1970年提出的.艾根认为生命信息的超源是一个采取超循环形式的分子自组织过程,他把生物化学中的循环现象分为不同的层次:第一个层次是转化反应循环,在整体上它是个自

26、我再生过程;第二个层次称为催化反应循环,在整体上它是个自我复制过程;第三个层次就是所谓的超循环(hypercycle),超循环是指催化循环在功能上循环耦合联系起来的循环,即催化超循环.实际上在超循环组织中,并不要求所有组元都起着自催化剂的作用,一般地说,只要此循环中有一个环节是自复制单元,此循环就能表现出超循环的特征.超循环的特征就是:不仅能自我再生,自我复制,而且还能自我选择,自我优化,从而向更高的有序状态进化.超循环结构演化的内部因素主要来自两个方面:首先是自复制单元在复制过程中出现的差错,类似于基因突变;其次,超循环结构是由多组元耦合成的多层次系统,内部存在复杂的非线性相互作用,在这种情

27、况下,如混沌理论所指出的,内在随机性就会在很大程度上起作用,它给超循环结构施加了另一个内扰动.由此可见,超循环结构的演化,大体上与三个因素有关:复制误差,内在随机性和环境扰动.n微分动力系统微分动力系统（differential dynamical systems）：60年代初，S.斯梅尔、廖山涛（北大数学教授）系统科学的一个数学分支。主要研究随时间演变的动力系统的整体性质及其在扰动中的变化。其它n分岔理论分岔理论（bifurcation theory）：50年代，苏联学者A.A.安德罗诺夫等研究分岔现象的特性和产生机理的数学理论（早在19世纪，C.雅可比、H.庞加莱等人就已引进“分岔”概念）

28、。其它q卡姆定理卡姆定理（KAM theorem）50年代中至60年代初，A.H柯尔莫戈罗夫、B.阿诺德、J.莫泽先后提出和证明关于哈密顿力学系统运动稳定性的一种论断，它反映“弱”不可积（或接近可积）系统的运动规律，该定理是牛顿力学在20世纪的重大进展。其它q泛系理论泛系理论（pansystems theory）1976，吴学谋（中科院武汉数理所研究员）一种研究广义系统、关系的理论和方法，又称泛系方法或泛系方法论q灰色系统理论灰色系统理论（gray systems theory）1979，邓聚龙（华中科技大教授）关于信息不完全或不确定系统的控制理论，应用在系统预测等方面钱学森：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。复杂系统理论.n以非线性自组织理论为核心的系统理论（欧洲学派）n以圣菲研究所（SFI）为代表的理论框架，其代表性理论是1994年霍兰提出的CAS（复杂适应系统）理论（美国学派）n以开放的复杂巨系统理论为核心的理论体系（中国学派）