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

為系統(tǒng)工程提供理論和方法的技術科學主要有系統(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)科學的重要理論基礎及工具）。

系統(tǒng)論是系統(tǒng)科學的主體理論基礎。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家，1945年，他在《德國哲學周刊》第18期上發(fā)表了《關于一般系統(tǒng)論》，這是系統(tǒng)科學的奠基之作，標志著系統(tǒng)科學的誕生。

一般系統(tǒng)論用相互關聯(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)論的研究領域十分廣闊，幾乎包括一切與系統(tǒng)有關的學科和理論，如管理理論、運籌學、信息論、控制論、科學學、哲學、行為科學等。它給各門學科帶來新的動力和新的研究方法，溝通了自然科學與社會科學、技術科學與人文科學之間的聯(lián)系，促進了現代科學技術發(fā)展的整體化趨勢，使許多學科面貌煥然一新。4第2章系統(tǒng)工程基本理論系統(tǒng)的觀點-1

貝塔朗菲將系統(tǒng)定義為“相互作用的諸要素的復合體”。這個定義強調了系統(tǒng)的整體性和聯(lián)系性，是系統(tǒng)科學的基本觀點。結構功能相關規(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-2

（1）整體與涌現性系統(tǒng)觀點首先是整體觀點整體才具有而孤立的部分及其總和不具有的特性，稱為整體涌現性或突現性（wholeemergence）。（2）結構、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)的結構（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等級，不同性質的涌現形成不同的層次，不同層次表現出不同的涌現性。6第2章系統(tǒng)工程基本理論系統(tǒng)的觀點-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聯(lián)的事物構成的集合，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)

依據系統(tǒng)與環(huán)境所處的關系，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

控制論（cybernetics）是在20世紀30、40年代自動控制、電子計算機、通信技術和生物學、數學等學科蓬勃發(fā)展的背景下產生的。1948年，美國數學家維納將機器與生物的控制和通信機制進行類比，抽象出共同特征，創(chuàng)立了控制論?？刂普撎釤挸龅幕靖拍睿T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)系著基礎理論和應用技術兩頭。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系都是控制，包括領導、指揮、支配、經營、管理、創(chuàng)作、設計、組建、制造、操縱、制裁、教育、調節(jié)、補償、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。實施控制的前提條件是獲取受控對象運行狀態(tài)、環(huán)境狀況、實際控制效果等信息，控制目標和手段都是以信息形式表現并發(fā)揮作用的。維納強調說：“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，這些問題的關鍵并不是環(huán)繞著電工技術，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、機械的或神經的方式傳遞的。”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?？刂葡到y(tǒng)是人們?yōu)橥瓿梢欢ǖ目刂迫蝿斩O計制造的。按照控制任務的不同，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

現代信息論是從20世紀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，申農發(fā)表了具有里程碑性質的論文——《通信的數學理論》。這是世界上首次將通信過程建立了數學模型的論文。這篇論文和1949年發(fā)表的另一篇論文奠定了現代信息論的基礎。17第2章系統(tǒng)工程基本理論信息的含義

申農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流。這些物質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）與信號和信息關聯(lián)的另一個概念是“消息”。消息是有語義的，它是物質系統(tǒng)的屬性存在值在信號中的表達的語言形式。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，在這些信息的指導下，主體作出了某些行為決定，或改變了某種思想認識，或從中導出了新的知識。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

現代科學證明信息歸根結底是物質的一種屬性，信息不能離開物質而單獨存在，客觀世界和人的大腦中都不存在與物質相分離的信息。但信息又是一種非常特殊的物質屬性，一種迄今為止自然科學尚無法全面解釋的物質屬性。與物質的其他屬性不同，信息的功能是表征物質客體成分、結構、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系中表現出來。信息不同于物質和能量，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

信息附著于一定的載體之上，具有下面一些性質：（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）信息具有可復制性。（4）信息存在變異風險。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、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)科學代表人物都承認，必須也能夠撇開對象有關物質、能量的特殊規(guī)定性，僅僅把對象當作系統(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)調有序地相互作用，系統(tǒng)與環(huán)境之間也必須協(xié)調有序地相互作用。這種協(xié)調有序的相互作用，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。這是技術科學層次公認的信息定義。實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

申農信息論的實質是通信理論。從通信工程角度看，人們感興趣的只是信源的統(tǒng)計特性，關心的主要是信源的信息結構和數量特征。信息結構由信源的可能消息集合和概率分布決定。有了信源的信息結構，就可以計算信源的各種數量特性。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