第2章系统工程基本理论

系统工程基本理论2.1 系统论基础2.2 控制理论基础2.3 信息论基础12.1 系统论基础为系统工程提供理论和方法的技术科学主要有系统论，控制论和信息论、最优化理论等（其中，系统论、信息论、控制论简称 “ 三论 ” ，是系统科学的重要理论基础及工具）。系统论是系统科学的主体理论基础。2一般系统论贝塔朗菲是美籍奥地利生物学家， 1945年，他在 德国哲学周刊 第 18期上发表了 关于一般系统论 ，这是系统科学的奠基之作，标志着系统科学的诞生。一般系统论用相互关联的综合性思维来取代分析事物的分散思维，概括了整体性、关联性、动态性、有序性、终极性（目的性）等系统的共性，突破了以往分析方法的局限性。3一般系统论的延伸一般系统论的研究领域十分广阔，几乎包括一切与系统有关的学科和理论，如管理理论、运筹学、信息论、控制论、科学学、哲学、行为科学等。它给各门学科带来新的动力和新的研究方法，沟通了自然科学与社会科学、技术科学与人文科学之间的联系，促进了现代科学技术发展的整体化趋势，使许多学科面貌焕然一新。4系统的观点 -1 贝塔朗菲将系统定义为 “ 相互作用的诸要素的复合体 ” 。这个定义强调了系统的整体性和联系性，是系统科学的基本观点。结构功能相关规律、信息反馈规律、竞争协同规律、涨落有序规律、优化演化规律作为 系统的五个重要规律。5系统的观点 -2 （ 1）整体与涌现性系统观点首先是 整体 观点 整体才具有而孤立的部分及其总和不具有的特性，称为整体 涌现性或突现性 （ whole emergence）。（ 2）结构、子系统、层次系统组分（元素）及组分之间一切联系方式的总和称为系统的 结构 （ structure）。 子系统 （ subsystem）相对于系统整体而言就是系统的部分或组分，但它本身就是一个系统，具有系统的基本特性。 层次 是系统由元素整合为整体过程中的涌现等级，不同性质的涌现形成不同的层次，不同层次表现出不同的涌现性。 6系统的观点 -3 （ 1）系统的环境广义上讲，一个系统之外的一切与它相关联的事物构成的集合，称为该系统的环境。 （ 2）孤立系统、封闭系统和开放系统 依据系统与环境所处的关系，可将系统分为孤立系统、封闭系统和开放系统。（ 3）系统的行为行为是刻画系统与环境相互关系的概念。 （ 4）系统的功能功能是刻画系统行为，特别是系统与环境关系的重要概念。 （ 5）系统的演化 动态，暂态，稳态。演化性是系统的普遍性。 72.2 控制理论基础控制论（ cybernetics）是在 20世纪 30、 40年代自动控制、电子计算机、通信技术和生物学、数学等学科蓬勃发展的背景下产生的。 1948年，美国数学家维纳将机器与生物的控制和通信机制进行类比，抽象出共同特征，创立了控制论。控制论提炼出的基本概念，诸如目的、行为、通信、信息、输人、输出、反馈、控制以及在这些概念基础上的控制论系统模型，即输入一输出反馈控制模型，具有广泛的普遍意义，并且紧密联系着基础理论和应用技术两头。 8控制的含义广义地说，世间各种事件的因果关系都是控制，包括领导、指挥、支配、经营、管理、创作、设计、组建、制造、操纵、制裁、教育、调节、补偿、决策、优化，等等。 狭义地说，控制仅指有控制的系统中施控者选择一定手段作用于受控者的主动行为过程。 9控制与信息 控制过程是一种不断获取、处理、选择、传送和利用信息的过程。实施控制的前提条件是获取受控对象运行状态、环境状况、实际控制效果等信息，控制目标和手段都是以信息形式表现并发挥作用的。维纳强调说： “控制工程的问题和通信工程的问题是不能区分开来的，而且，这些问题的关键并不是环绕着电工技术，而是环绕着更为基本的消息概念，而不论这消息是由电的、机械的或神经的方式传递的。 ”从信息掌握程度理解白箱、灰箱和黑箱的涵义 10控制分类 一定的控制过程有一定的控制任务。控制系统是人们为完成一定的控制任务而设计制造的。按照控制任务的不同，可将控制系统主要分为以下几种类型：p 定值控制 p 程序控制 p 随动控制 p 最优控制 11控制方式 （ 1）开环控制（ 2）补偿控制（ 3）反馈控制12大系统的控制 （ 1）集中控制（ 2）分散控制 13大系统的控制 （ 3）分解一协调控制 分级递阶控制14大系统的控制 （ 3）分解一协调控制 分层控制 15大系统的控制 （ 3）分解一协调控制 分层分段控制 162.3 信息论基础现代信息论是从 20世纪 20年代奈奎斯特 N Nyquist）和哈特利（ L v R Hartley）的工作开始的，他们最早研究了通信系统传输信息的能力，并试图度量系统的信道容量。1948年， 申农 发表了具有里程碑性质的论文 通信的数学理论 。这是世界上首次将通信过程建立了数学模型的论文。这篇论文和 1949年发表的另一篇论文奠定了现代信息论的基础。17信息的含义 申农把信息定义为两次不确定性之差，即信息通信前的不确定性 通信后仍有的不确定性对于信息给予下面的进一步解释：（ 1）所谓 信号 ，包括光、一般电磁波、声波或任何其他物质流。这些物质流要称为信号必须是对某个主体而言包含某种信息，否则就仅是一种物质流。（ 2） 信息 是包含在信号中的，并非信号或其一部分的本体，因而是需要主体从信号中提取的。 （ 3）与信号和信息关联的另一个概念是 “消息 ”。消息是有语义的，它是物质系统的属性存在值在信号中的表达的语言形式。但消息能否成为信息，则在于主体的加工效果及其对主体的意义。 （ 4）所谓的有意义或有价值是指，在这些信息的指导下，主体作出了某些行为决定，或改变了某种思想认识，或从中导出了新的知识。信息在主体的行为或思想变化中起了某种限制或规定性的作用。18信息的特征 现代科学证明信息归根结底是物质的一种属性，信息不能离开物质而单独存在，客观世界和人的大脑中都不存在与物质相分离的信息。但信息又是一种非常特殊的物质属性，一种迄今为止自然科学尚无法全面解释的物质属性。与物质的其他属性不同，信息的功能是表征物质客体成分、结构、状态、特性、行为、功能、演化趁势等。一个系统的信息只能在与其他系统的相互作用以及相互关系中表现出来。 信息不同于物质和能量，具有不守恒性、共享性 19信息的性质 信息附着于一定的载体之上，具有下面一些性质： （ 1）信息具有整体性。（ 2）信息有多种多样的存在或储存方式。 （ 3）信息具有可复制性。 （ 4）信息存在变异风险。 20信息与系统 客观世界是由物质、能量、信息三大要素组成的 。信息概念对于系统研究具有更广泛的意义。自贝塔朗菲以来的系统科学代表人物都承认，必须也能够撇开对象有关物质、能量的特殊规定性，仅仅把对象当作系统来研究，但不能撇开信息来研究系统。系统作为诸多部分的统一整体要生存和发展，它的组分之间必须协调有序地相互作用，系统与环境之间也必须协调有序地相互作用。这种协调有序的相互作用，有赖于元素之间、子系统之间、层次之间、系统与环境之间合理有效的信息联系、信息交换、信息操作。21信息度量 信息虽然有量，但是不是所有的量都需要定义和实际测量。对信息的可量化的传统定义是：信息就是通信中消除了的不确定性，亦即增加了的确定性。这是技术科学层次公认的信息定义。实际的通信可能完全消除了接收者对某种事物知识的不确定性，也可能只是部分地消除了不确定性，甚至完全没有消除不确定性。因此申农把信息定义为两次不确定性之差。22通信系统模型 申农信息论的实质是通信理论。从通信工程角度看，人们感兴趣的只是信源的统计特性，关心的主要是信源的信息结构和数量特征。信息结构由信源的可能消息集合和概率分布决定。有了信源的信息结构，就可以计算信源的各种数量特性