[PPT模板]系统科学概论20112

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1、系统科学概论系统科学概论 Systems ScienceSystems Science中国农业大学 王卫华电话：13701119756 邮箱：公邮：(weihua)*1通神明之德 类万物之情主 要 内 容一、系统的概念二、系统理论三、信息与控制四、系统建模技术五、系统动力学建模六、自组织与混沌 Date2通神明之德 类万物之情第三讲 信息与控制1信息论引例 2. 什么是信息 3. 信源与信息熵 4. 信息的传递 5. 控制与控制系统 6. 黑箱原理与系统辨识 7. 状态空间模型 8. 控制论的应用领域Date3通神明之德 类万物之情1.信息论引例我写下一个1至100之间的数，你来猜猜 是什么。

2、你只能问可以用“是”或“否”回答的 问题。为了保证不论在什么情况下都能以尽量 少的次数猜中，你应该如果提问呢？(最小化平均信息量） 猜数游戏Date4通神明之德 类万物之情 猜世界杯冠军假如我错过了看世界杯，赛后我问一个知道比赛结果的观众“哪支球队是冠军”？ 他不愿意直 接告诉我， 而要让我猜，并且我每猜一次，他要 收一元钱才肯告诉我是否猜对了。那么，如何才能花最少的钱就可以猜出呢？Date5通神明之德 类万物之情有人发明了一个可以检测空气质量的仪器，假定 用红色指示灯亮不亮表示空气质量状况。a.只显示是否超标；b.分5个等级报告。问：最少分别需要几只灯？ 用几个信号灯Date6通神明之德 类

3、万物之情 称出坏球给出12个外观和大小一样的球，其中一个重量和别的球不同，姑且称之为坏球。现在给你用一个没有砝码的天平，通过比较称量决定哪个是坏球，并说出它比别的球轻还是重。问：最少需要几次计量？Date7通神明之德 类万物之情Date8通神明之德 类万物之情Date9通神明之德 类万物之情2什么是信息信息无处不在信息是宇宙中除物质和能量外的第三要素。没有物质的世界是虚无的世界，没有能源的世界是死 寂的世界，没有信息的世界是混乱的世界。信息既不是物质，又不是能量，信息就是信息！消息是信息的外壳，信息是消息的内核信息是负熵信息是选择的自由度Date10通神明之德 类万物之情信息论之父 香农博士

4、Date11通神明之德 类万物之情香农（Claude Elwood Shannon）1916年生于美国，1940 年获得麻省理工学院数学博士学位和电子工程硕士学位。 1941年他加入了贝尔实验室数学部。 2001年去世。1948年，由贝尔实验室出版的贝尔系统技术杂志连 载了香农博士的文章通讯的数学原理，该文奠定了香农 信息基本理论的基础。他在文中用非常简洁的数学公式定义 了信息时代的基本概念：熵。在此基础上，他又定义了信道 容量的概念，指出了用降低传输速率来换取高保真通讯的可 能性。这些贡献对今天的通信工业具有革命性的影响。Date12通神明之德 类万物之情信息定义Shannon：能够消除系统

5、不确定性的知识。以信号为传输方式。Shannon信息论也称为数学信息论、狭义信息论。广义信息：是指一切开放系统自我生成和自律过程中赖以取得自修 补的输入。人的感知、认识只是一种特例。Date13通神明之德 类万物之情语法信息：又称句法信息，只表述客观事物运动状 态的符号排列和组合,而不考虑其意义。是狭义信息论的 研究对象（宪法）。语义信息：不仅反映事物运动变化的状态，而且还 要揭示事物运动变化的意义。（具体含义民法、刑法 ）语用信息：指信息内容对信宿的有用性。 （对观测 者的作用效果主观价值：法庭审判） Date14通神明之德 类万物之情信息系统模型（通信模型）信源信道信宿 编码译码噪 声Da

6、te15通神明之德 类万物之情信源：产生消息和消息序列的源。可以是人、生物、机器 或其他事物。（0、1）编码器：对信号变换和处理。可分信源编码器、信道编码 器、保密编码器三种。信道：信道是指通信系统把载荷消息的信号从甲地传输到 乙地的媒介（电缆、波导、光纤、无线电波）。存储信号 （延迟线）噪声源：人为或天然的干扰和噪声。译码器：反变换，恢复信源消息。编码器可分信源译码器 、信道译码器、保密译码器三种。信宿：消息传送的对象。（机器、人）（合法、非法）Date16通神明之德 类万物之情产生想法 编码 传递 接收 解码 接受 使用发送者接收者意图桥障碍信息反馈人际沟通模型Date17通神明之德 类万

7、物之情香农信息论以客观概率信息为研究对象，从通信的信息传输问题中 总结和开拓出来的理论。主要研究的问题：信源的描述，信息的定量度量、分析与计算。信道的描述，信道传输的定量度量、分析与计算。信源、信道与通信系统之间的统计匹配，以及通信系统 的优化。Date18通神明之德 类万物之情广义信息论又称信息科学，主要研究以计算机处理为中心的信 息处理的基本理论，包括语言、文字的处理、图像识别 、学习理论及其各种应用。基于概念论的广义信息论；基于复杂系统的广义信 息论。从原来的通信领域广泛地渗入到自动控制、信息处 理、系统工程、人工智能等领域。是狭义信息论在各个领域的应用和推广。Date19通神明之德 类

8、万物之情广义信息 论工程信息论基础信息论语法 信息语义 信息语用 信息乡农 信息Date20通神明之德 类万物之情信息的特征与概率成反比。例：“生了小孩”；“生了双胞胎”；“生了三胞胎 ”。可加性。例：某大楼共4层，每层6个房间。信息关系：16号房间第3层第4间概率关系：1/24(1/4)*(1/6)信息量相加，而概率为乘积。单位信息：进行最简单的不确定性判别即“非此即彼”问题所需 要的信息量。Date21通神明之德 类万物之情自信息量若随机事件发生xi的概率为P(xi)，用I(xi)表示消息xi提供的 信息量，则： I(xi)-log2P(xi)log21/P(xi) 其中，P为事件概率。单

9、位：bit,比特；nat,奈特；hartley哈特莱性质：I是非负值；当P=1时，I=0；当P=0时，I=； I是单调递减函数。 Date22通神明之德 类万物之情例：“非此即彼”问题信息量：P1/2；Ilog221(bit)例： “16号房间”： Ilog2244.585(bit)“第3层”： I1log242(bit)“第4间”： I2log262.585(bit)II1I2Date23通神明之德 类万物之情3信源与信息熵信源定义：信息发送者；以符号形式发出信息。具有不确定性离散信源：随机变量X，取值于集合Aa1,a2,.,an；概率测度piPX=ai，且表示成A,pi Date24通神明

10、之德 类万物之情连续信源：随机变量X，取值于区间A（a, b）；极限情况A（-，+），则XR。概率密度p(x)dxpx HDate37通神明之德 类万物之情效率：若能充分利用信源记忆，实际只需传送H，但因只 能算出Hm,所以采用传送Hm的手段，甚至用H1、H0。，即 表现为传送手段太富余。 H/Hm冗余度（剩余度、冗长度）：R1 H/Hm引例2Date38通神明之德 类万物之情例：英文冗余度英文字母26个，加空格，共27个符号，不考虑标点。则 H0log227=4.76bit利用单词结构规律，进行统计：统计一维分布得,H1=4.03bit增加统计可得，H23.32bit,H3=3.1bit近似

11、认为：H 1.4bit则 1.4/4.760.29R1-0.290.71Date39通神明之德 类万物之情例：汉字冗余度一本五十万字的中文书平均有多少信息量？常用的汉字（一级二级国标）大约有 7000 字。假如每 个字等概率，那么我们大约需要 13 个比特表示一个汉字。但汉字的使用是不平衡的。实际上，前 10% 的汉字占 文本的 95% 以上。考虑每个汉字的独立的概率，那么，每 个汉字的信息熵大约也只有 8-9 个比特。如果再考虑上下文相关性，每个汉字的信息熵只有5比 特左右。所以，一本五十万字的中文书，信息量大约是 250 万 比特。同样长度的书，所含的信息量可以差很多。如果一本 书重复的内

12、容很多，它的信息量就小，冗余度就大。 Date40通神明之德 类万物之情信道什么是信道对信源输出符号进行传输和存储的装置。对信道的主要研究任务是使其能传输或存储最大信息 。通信速度单位时间内能传输的平均信息量。信道容量也称为编码容量。当通信速度最大时信息传输能力。Date41通神明之德 类万物之情引例3引例4Date42通神明之德 类万物之情水钟（“铜壶滴漏” ）反馈控制原理：控 制水流的速度恒定 以达到准确记时的 目的。5控制与控制系统 引例Date43通神明之德 类万物之情人工恒温系统：操作员采集信息自动恒温系统：继电器采集信息Date44通神明之德 类万物之情控制论产生与发展1944，研

13、讨小组：生理学家、心理学家、计算机专家；引 入统计理论，否定决定论；核心是反馈。1948，控制论出版。1951，成立“控制论世界组织” ；70初，改为“一般系统论和控制论世界组织”；IEEE，“系统、人和控制论”委员会.50s至70s，苏大百科全书称“反动的伪科学”；美 IEEE的攻击。应用：美：航天；日：机器人；拉美：社会经济；欧：心 理、社会学；苏：哲学。Date45通神明之德 类万物之情 维纳的控制论Cybernetics动物和机器中控制与通讯的科学。设有两个状态变量，其中一个是能由我们进行调节 的，而另一个则不能控制。这时我们面临的问题是如何 根据那个不可控制变量从过去到现在的信息来适

14、当地确 定可以调节的变量的最优值，以实现对于我们最为合适 、最有利的状态。“机器”：机械的、电的、神经的、经济的、自然的、人造的Date46通神明之德 类万物之情维纳生平(Nobert Wiener,18941964)三岁半：开始读书；生物学和天文学初级科学；7岁：深入物理学和生物学的领域。911岁：艾尔中学1214岁：塔夫茨学院数学系18岁：获哈佛大学哲学博士学位1921岁：英剑桥大学、德哥廷根大学，师从罗素、哈代、希尔伯特25岁：MIT数学系Date47通神明之德 类万物之情1933年：美国科学院院士，不久便辞去19351936：应邀到中国作访问教授。在清华大学与李 郁荣合作，研究并设计出

15、很好的电子滤波器，获得了该 项发明的专利权。1964年：荣获美国总统授予的国家科学勋章。 “在纯粹 数学和应用数学方面并且勇于深入到工程和生物科学中 去的多种令人惊异的贡献及在这些领域中具有深远意义 的开创性工作” Date48通神明之德 类万物之情维纳一生特立独行，有很多有意思的传说。1.学位授予仪式上的数学玩笑2.搬家趣事3.邮局里的故事Date49通神明之德 类万物之情控制论的一般理解为了“改善”某个或某些受控对象的功能或发展，需 要获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的、于该对 象上的作用，就叫作控制。 控制论是研究包括人在内的生物系统和包括工程在内的非生物系统，以及与二者有关的社会经济系统内部通信 、控制、组织、平衡、稳定、计算及其与环境相互作用的 科学方法论。Date50通神明之德 类万物之情控制论的内容系统描述：外描述经典控制论SISO线性定常系统传递函数、时域分析、频域分析状态描述现代控制理论状态概念；计算机工具动态特征分析：控制系统运动规律、运动机制。稳定性、可控性、可观性等。发展的控制：控制的可能、效果、手段。Date51通神明之德 类万物之情控制论系统控制器和被控制对象相互作用。被控对象控制器