系统工程学 讲义3 系统工程理论

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1、第二章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经典系统理论一、一般系统论（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。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。1945年，在《德国哲学周刊》上发表《关于一般系统论》直到19

2、47年和1948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。（二）一般系统论的基本观点1.系统的整体性①要素和系统不可分割②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”③系统整体的质不同于部分的质。2.系统的开放性有机体之所以能够保持

3、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。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。3.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关系及其对系统状态的影响。4.系统的层次等级性结构越复杂，组织越有序，功能也越强。5.系统的有序性结构有序性（空间）、发展有序性（时间）。二、控制论（一）控制论的产生与发展1947年，维纳，控制论，Cybernetics1948年，《控制论》

4、定义控制论为“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：经典控制理论时期。研究单因素控制系统，重点是反馈控制。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。大系统理论控制时期。大系统多级递阶控制。（二）控制论的基本概念（三）控制论对系统方法的启示黑箱——灰箱——白箱法黑箱法：人们无需或无法直接观测其内部结构，不打开系统“活体”，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。三、信息论（一）信息论的产生与发展1949年，C．E．香农的《通信的数学理论

5、》基本内容是研究信源、信宿、信道及编码问题。分类：（1）狭义信息论：即申农信息论。（2）一般信息论：通信问题。申农信息论的局限性。（二）信息论的基本概念1信息定义两次不定性之差，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。2信息概念的特点（1）信息具有知识秉性。（2）信息的使用价值具有相对性。（3）信息不守恒。3物质、能量、信息的比较表现形式变化过程守恒熵物质电子、细胞等扩散、传递物质不灭能量引力、热等能量转化、传递能量守恒热力学第二定律信息信号等存储、传递不守恒信息熵4.通信问题模型5.信息量

6、和信息熵反常的事件比正常的含信息量大，稀有事件比正常的含信息量大。以概率p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p1,p2,…,pn，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、组织状态的不确定性和有序性。§2-2现代系统理论一、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，研究自发形成的宏观有序现象——自组织现象。（1）耗散结构理论1起源（1）牛顿时间和梅

7、格森时间。“时间箭头”没有意义。进化论和热力学中，时间不可逆。热传导方程：“对称破缺”物理学的困惑：牛顿力学电磁理论相对论量子力学具有时间反演不变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——熵增的方向。演化的世界静止的世界力学系统热力学系统物理学的困惑（3）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，而不产生其它影响（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用功而不产生其它影响。熵是混乱度（无序度）的量度。（2）退化与进化退化，从有序状态向无序状态的转

8、变。进化则是向着更高有序状态的转变。达尔文的进化论：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。物资浓聚（形成资源）内能投入（地壳以下提供负熵）废物散热（熵增）物质组合（成型、加工）废料废料处理废料产生太阳提供负熵资源生产的熵解（4）开放系统的热力学第二定律系统的熵变化deS是系统与外界交换物质和能量而引起的熵流，diS是系统内部自发产生的熵diS>=0，但deS可正可负，若为正则加速系统趋向平衡态的