系统工程学讲义ppt3系统工程理论

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1、第二章第二章 系统工程理论系统工程理论 重要研究领域有耗散结构理论、协同学、突变理论、混沌与重要研究领域有耗散结构理论、协同学、突变理论、混沌与分叉理论、自组织系统、超循环理论和有序与无序。分叉理论、自组织系统、超循环理论和有序与无序。 2-1 经典系统理论经典系统理论 一、一般系统论一、一般系统论（一）一般系统论产生过程（一）一般系统论产生过程 一维科学时代，还原论，解决孤立问题一维科学时代，还原论，解决孤立问题 二战爆发，复杂的战争组织、复杂的战争资源管理和后二战爆发，复杂的战争组织、复杂的战争资源管理和后勤保障问题向还原论方法提出了尖锐的挑战。勤保障问题向还原论方法提出了尖锐的挑战。 系

2、统论发展重要的标志：贝塔朗菲的一般系统论系统论发展重要的标志：贝塔朗菲的一般系统论 现代系统论是在对生物学中的还原论和活力论的批判现代系统论是在对生物学中的还原论和活力论的批判中诞生的。中诞生的。 1937年，贝塔朗菲在芝加哥大学提出了一般系统论的概念。年，贝塔朗菲在芝加哥大学提出了一般系统论的概念。1945年，在年，在德国哲学周刊德国哲学周刊上发表上发表 关于一般系统论关于一般系统论直到直到1947年和年和1948年，一般系统论才形成为一门崭新的学科。年，一般系统论才形成为一门崭新的学科。 贝塔朗菲认为：生命首先是一个自我组织系统，作为有组织的复贝塔朗菲认为：生命首先是一个自我组织系统，作为

3、有组织的复合体不断经历着发展和展开，向着更高层次的分化前进。作为整体它合体不断经历着发展和展开，向着更高层次的分化前进。作为整体它不能还原为部分，其发展了的形态与早先的形态有着质的区别。而且不能还原为部分，其发展了的形态与早先的形态有着质的区别。而且有机体不是静态的而是动态的，不是封闭的而是开放的，不是被动地有机体不是静态的而是动态的，不是封闭的而是开放的，不是被动地等待反应，而是自动地主动地寻求刺激等待反应，而是自动地主动地寻求刺激。 （二）一般系统论的基本观点（二）一般系统论的基本观点1. 系统的整体性系统的整体性 要素和系统不可分割要素和系统不可分割 系统整体的功能不等于各组成部分的功能

4、之和。系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和。 “非加和定律非加和定律” 系统整体的质不同于部分的质。系统整体的质不同于部分的质。 2. 系统的开放性系统的开放性 有机体之所以能够保持自身有序的、有组织的稳定状有机体之所以能够保持自身有序的、有组织的稳定状态，是由于系统与环境处于相互作用之中，系统与环境不态，是由于系统与环境处于相互作用之中，系统与环境不断进行物质、能量和信息的交换，这就是开放系统。断进行物质、能量和信息的交换，这就是开放系统。 等结果性原理等结果性原理。 开放系统可以保持自身的稳定结构和有序状态，这正开放系统可以保持自身的稳定结构和有序状态，这正是系统目的性的表现。是系统目

5、的性的表现。 3. 系统的动态相关性系统的动态相关性 动态相关性的实质是揭示要素、系统和环境三者之间的动态相关性的实质是揭示要素、系统和环境三者之间的关系及其对系统状态的影响。关系及其对系统状态的影响。 4. 系统的层次等级性系统的层次等级性 结构越复杂，组织越有序，功能也越强。结构越复杂，组织越有序，功能也越强。 5. 系统的有序性系统的有序性 结构有序性（空间）、发展有序性（时间）。结构有序性（空间）、发展有序性（时间）。二、控制论二、控制论（一）控制论的产生与发展（一）控制论的产生与发展1947年，维纳，控制论，年，维纳，控制论，Cybernetics 1948年，年， 控制论控制论 定

6、义控制论为定义控制论为“关于动物和机器中的控制与通信的理论关于动物和机器中的控制与通信的理论”。控制论的发展经历了三个时期：控制论的发展经历了三个时期： 经典控制理论时期。经典控制理论时期。 研究单因素控制系统，重点是反馈控制。研究单因素控制系统，重点是反馈控制。 现代控制理论时期。现代控制理论时期。 研究多输入、多输出、高精度和参数时变，最优控制。研究多输入、多输出、高精度和参数时变，最优控制。 大系统理论控制时期。大系统理论控制时期。 大系统多级递阶控制。大系统多级递阶控制。 （二）控制论的基本概念（二）控制论的基本概念 （三）控制论对系统方法的启示（三）控制论对系统方法的启示 黑箱黑箱灰

7、箱灰箱白箱法白箱法 黑箱法：人们无需或无法直接观测其内部结构，不打开系黑箱法：人们无需或无法直接观测其内部结构，不打开系统统“活体活体”，只能从外部的输入和输出去认识现实系统。，只能从外部的输入和输出去认识现实系统。 黑箱永远有，白箱永不白。黑箱永远有，白箱永不白。 三、信息论三、信息论（一）信息论的产生与发展（一）信息论的产生与发展 1949年，年，CE香农的香农的通信的数学理论通信的数学理论 基本内容是研究信源、信宿、信道及编码问题。基本内容是研究信源、信宿、信道及编码问题。 分类：分类：（1）狭义信息论：即申农信息论。）狭义信息论：即申农信息论。（2）一般信息论：通信问题。）一般信息论：

8、通信问题。 申农信息论的局限性。申农信息论的局限性。 （二）信息论的基本概念（二）信息论的基本概念 1 信息定义信息定义 两次不定性之差，即不定性的减少的量。两次不定性之差，即不定性的减少的量。 消息是信息的外壳，信息是消息的内核。消息是信息的外壳，信息是消息的内核。 2 信息概念的特点信息概念的特点 （1）信息具有知识秉性。）信息具有知识秉性。 （2）信息的使用价值具有相对性。）信息的使用价值具有相对性。 （3）信息不守恒。）信息不守恒。3 物质、能量、信息的比较物质、能量、信息的比较 表表现形式形式变化化过程程守恒守恒熵物物质电子、子、细胞等胞等扩散、散、传递物物质不不灭能量能量引力、引力

9、、热等等能量能量转化、化、传递能量守恒能量守恒热力学第力学第二定律二定律信息信息信号等信号等存存储、传递不守恒不守恒信息信息熵4. 通信问题模型通信问题模型 5. 信息量和信息熵信息量和信息熵 反常的事件比正常的含信息量大，稀有事件比正常的反常的事件比正常的含信息量大，稀有事件比正常的含信息量大。含信息量大。 以概率以概率p发生的可能消息所包含的信息量为发生的可能消息所包含的信息量为h=-log2p。 信息熵：信源平均信息量信息熵：信源平均信息量 设描述某一事件的消息源可能发出的消息为设描述某一事件的消息源可能发出的消息为x=(x1, x2, , xn)，而各可能消息是否会发出的概率为，而各可

10、能消息是否会发出的概率为p1, p2, , pn，并满足归一性条件，则信息熵为，并满足归一性条件，则信息熵为 利用信息熵可以描述系统复杂性、组织状态的不确利用信息熵可以描述系统复杂性、组织状态的不确定性和有序性。定性和有序性。2-2 现代系统理论现代系统理论一、耗散结构与协同学一、耗散结构与协同学 是系统科学中自组织理论的重要组成部分，研究自发是系统科学中自组织理论的重要组成部分，研究自发形成的宏观有序现象形成的宏观有序现象自组织现象。自组织现象。 （1）耗散结构理论）耗散结构理论1 起源起源（1）牛顿时间和梅格森时间。）牛顿时间和梅格森时间。 “时间箭头时间箭头”没有意义。没有意义。 进化论

11、和热力学中，时间不可逆。热传导方程：进化论和热力学中，时间不可逆。热传导方程：“对称破缺对称破缺” 物理学的困惑：物理学的困惑：牛顿力学牛顿力学电磁理论电磁理论相对论相对论量子力学量子力学具具有有时时间间反反演演不不变变性性分子物理热力学过程的不可逆性：分子物理热力学过程的不可逆性：系统的演化具有时间箭头系统的演化具有时间箭头熵增的方向。熵增的方向。力学系统力学系统热力学系统热力学系统物物理理学学的的困困惑惑（3）热力学第二定律和熵）热力学第二定律和熵 一种表述：不可能把热从低温物体传到高温物体，一种表述：不可能把热从低温物体传到高温物体，而不产生其它影响（热传导的不可逆性）。而不产生其它影响

12、（热传导的不可逆性）。 另一种：不可能从单一热源中取热使之完全变为有另一种：不可能从单一热源中取热使之完全变为有用功而不产生其它影响。用功而不产生其它影响。 熵是混乱度（无序度）的量度。熵是混乱度（无序度）的量度。 （2）退化与进化）退化与进化 退化，从有序状态向无序状态的转变。退化，从有序状态向无序状态的转变。进化则是向着更高有序状态的转变。进化则是向着更高有序状态的转变。 达尔文的进化论：达尔文的进化论： 生物系统总是从简单、单一和均匀向复杂、生物系统总是从简单、单一和均匀向复杂、多样和不均匀演化。多样和不均匀演化。物资浓聚物资浓聚（形成资源）（形成资源）内能投入内能投入（地壳以下（地壳以

13、下提供负熵）提供负熵）废物废物散热散热（熵增）（熵增）物质组合物质组合（成型、加工）（成型、加工）废料废料废料处理废料处理废料产生废料产生太阳提供太阳提供负熵负熵 资资 源源 生生 产产 的的 熵熵 解解（4）开放系统的热力学第二定律）开放系统的热力学第二定律 系统的熵变化系统的熵变化 deS是系统与外界交换物质和能量而引起的熵流，是系统与外界交换物质和能量而引起的熵流，diS是系统内部自发产生的熵是系统内部自发产生的熵 diS=0，但，但deS可正可负，若为正则加速系统趋向可正可负，若为正则加速系统趋向平衡态的运动；若负则系统从环境中获取物质和能量，平衡态的运动；若负则系统从环境中获取物质和

14、能量，从而给系统带来负熵，使有序性的增加大于无序性的从而给系统带来负熵，使有序性的增加大于无序性的增加，新的结构和组织就自发形成，这种远离平衡态增加，新的结构和组织就自发形成，这种远离平衡态的开放系统就称为耗散结构。的开放系统就称为耗散结构。2. 耗散结构理论简介耗散结构理论简介 dissipative structure理论是由比利时物理学家普利高理论是由比利时物理学家普利高津于津于1970提出。提出。 1969年，普利高津提出：一个远离平衡态的开放系统，年，普利高津提出：一个远离平衡态的开放系统，在外界条件发生变化使系统内部某个参量的变化达到一在外界条件发生变化使系统内部某个参量的变化达到

15、一定的阈值时，量变可以发生质变，由混沌无序状态变为定的阈值时，量变可以发生质变，由混沌无序状态变为有序状态。这种突变后形成的有序状态称耗散结构。有序状态。这种突变后形成的有序状态称耗散结构。 自组织的典型现象自组织的典型现象自组织现象自组织现象某一系统中自发形成的时空有某一系统中自发形成的时空有序结构或状态。序结构或状态。1 1、贝纳德对流、贝纳德对流液体液体均匀加热均匀加热T T2 2T T1 1T T2 2T T1 1 贝纳德对流贝纳德对流2. BelousovZhabotinski反应反应化化学学振振荡荡化学溶液颜色的周期性变化化学溶液颜色的周期性变化 时间周期时间周期（1 1）化学钟）

16、化学钟系统具有长程关联，时间对称性发生破缺。系统具有长程关联，时间对称性发生破缺。具有自组织特征具有自组织特征（2 2）空间构型）空间构型化学波化学波化学溶液的颜色随空化学溶液的颜色随空间变化间变化空间周期空间周期信息由中心向外传播，信息由中心向外传播，空间对称性发生破缺。空间对称性发生破缺。具有自组织特征具有自组织特征非对称性非对称性生命的基本特征生命的基本特征3 3、激光、激光激光激光同频率、同相位、同偏振方向同频率、同相位、同偏振方向自然光自然光频率、位相、偏振方向不同频率、位相、偏振方向不同粒子数反转粒子数反转受激辐射受激辐射具有自组织特征具有自组织特征l3 云街 耗散结构的基本特点耗

17、散结构的基本特点 （1）系统必须是远离平衡态的开放）系统必须是远离平衡态的开放系统。系统。 普里高津：普里高津：“非平衡是有序之非平衡是有序之源。源。”（2）系统内部具有非线性动力学机）系统内部具有非线性动力学机制。制。 系统动力学方程为非线性的。系统动力学方程为非线性的。耗散结构耗散结构系统通过不断与外界进行能量与物系统通过不断与外界进行能量与物 质交换所形成的时空有序结构。质交换所形成的时空有序结构。平衡结构平衡结构不受外界影响，宏观结构不变。不受外界影响，宏观结构不变。例：例：洛仑兹大气对流方程洛仑兹大气对流方程非线性项非线性项非线性项非线性项（3）耗散结构的出现是由于远离平衡态的系统内

18、部涨落）耗散结构的出现是由于远离平衡态的系统内部涨落被放大而诱发的。被放大而诱发的。（二）协（二）协 同同 学学synergetics研究协同系统从无序到有序状态的演化规律。研究协同系统从无序到有序状态的演化规律。 德国物理学家哈肯于德国物理学家哈肯于1970创立。创立。 基本原理：基本原理： （1）协同效用原理）协同效用原理（2）支配原理）支配原理 （3）自组织原理）自组织原理 （三）小（三）小 结结（1）耗散结构要求系统开放，远离平衡态，有物质、能量）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。而协同学把研究从远离交换，以及内部的非线性机制。而协同学把研究从远

19、离平衡态的开放系统扩展到近平衡态和平衡态系统。平衡态的开放系统扩展到近平衡态和平衡态系统。（2）同外部的交换可产生负熵流，产生促协力。促协力与）同外部的交换可产生负熵流，产生促协力。促协力与交换量成正比。交换量成正比。（3）子系统之间的协作力决定系统的未来走向。）子系统之间的协作力决定系统的未来走向。（4）耗散结构惯性定理）耗散结构惯性定理（5）吞并溶合原理）吞并溶合原理 二、突变论二、突变论 1972，法国数学家雷内，法国数学家雷内.托姆托姆结构稳定性和形态发生学结构稳定性和形态发生学一书，标志突变理论的诞生。一书，标志突变理论的诞生。 系统演化形式：渐变和突变。渐变的运动过程可用微积系统演

20、化形式：渐变和突变。渐变的运动过程可用微积分解决，而突变不行，分解决，而突变不行， 由渐变、量变发展为突变、质变的过程就是突变现象。由渐变、量变发展为突变、质变的过程就是突变现象。 突变论观点：突变论观点：（1）稳定机制是突变论阐述的主要内容。）稳定机制是突变论阐述的主要内容。（2）质变可通过渐变和突变两种途径来实现。）质变可通过渐变和突变两种途径来实现。（3）量变体现为渐变，突变导致质变。）量变体现为渐变，突变导致质变。最简单的突变模型：最简单的突变模型： f f ( (x x)=(1/3) )=(1/3) x x3 3 ，在，在x x=0=0处，处，给出一个微扰，形成了一个函数族给出一个微

21、扰，形成了一个函数族f fa a( (x x)= (1/3) )= (1/3) x x3 3+ +axax 系统系统V V（x x, 1/3, 1/3,a a），），对对于参数于参数a a的某些值，的某些值，使使x x = 0= 0这个点（或这个点（或附近）有影响系统突附近）有影响系统突变的两个临界点。即变的两个临界点。即正是参数正是参数a a的微扰而的微扰而产生系统出现突变。产生系统出现突变。尖角型模型尖角型模型 的实例的实例气液相变中的突变现气液相变中的突变现象水的密度象水的密度是温度是温度 T T 和压力和压力 P P 的函数的函数 用用、T T、P P三个变量组成三个变量组成三维行为空

22、间如图，其中三维行为空间如图，其中两个水平轴表示相变条件：两个水平轴表示相变条件：温度与压力，称为控制平温度与压力，称为控制平面；垂直于控制平面的第面；垂直于控制平面的第三轴表示水的状态：密度；三轴表示水的状态：密度；水的密度变化可用一个特水的密度变化可用一个特殊曲面表示，称为行为曲殊曲面表示，称为行为曲面。面。 整个行为曲面由液态的整个行为曲面由液态的 高密度区向气态的低密度倾斜，说明随温度上高密度区向气态的低密度倾斜，说明随温度上升和压力下降，密度变小升和压力下降，密度变小 l设温度和压力沿设温度和压力沿ABAB方向变化，在方向变化，在行为曲面上水的密度处于渐变过行为曲面上水的密度处于渐变

23、过程中。但到了折叠的边缘，只要程中。但到了折叠的边缘，只要温度和压力沿温度和压力沿ABAB方向再离开方向再离开F F一一点点，水的密度值就突然跌到行点点，水的密度值就突然跌到行为曲面的下叶的气态区域。这时为曲面的下叶的气态区域。这时水由液态变为气态，形成一次突水由液态变为气态，形成一次突变。反之，如果温度和压力沿着变。反之，如果温度和压力沿着BABA的方向变化，起初水的气态的方向变化，起初水的气态密度在行为曲面下叶沿连续地有密度在行为曲面下叶沿连续地有所增加。但到了折叠的另一个边所增加。但到了折叠的另一个边缘，密度值突然上升到曲面上叶缘，密度值突然上升到曲面上叶的液态区域，水蒸气变为液态的的液态区域，水蒸气变为液态的水，这也是一次突变。水，这也是一次突变。