系统论、控制论和信息论

一、系统论

亚里斯多德说过“整体大于部分之和”。但作为现代系统论的基本思想最初产生于本世纪20年代初由奥地利生物学家贝朗塔菲（L.Von.Bertalanffy）提出的，强调生命现象不能用机械论观点，而只能把它看作一个整体或系统来加以考察。1948年，贝朗塔菲发表了《生命问题》该书标志着系统论的正式诞生。1968年，他又发表了《一般系统理论——基础发展与应用》。成为系统论的代表著作。第一页，共40页。机械论的错误贝塔朗菲认为机械论的观点主要错误是：1、简单相加的观点，即把有机体分解为各要素，并采用简单地相加来说明有机体的属性；2、机械观点，即把生命现象简单地比作机器；3、被动反映的观点，即把有机体看作只有受到刺激时才能反映。第二页，共40页。生物机体论生物机体论主要观点：1、系统观点，即有机体都是一个系统，并把系统定义为相互作用的诸要素的复合体；2、动态观点，即生命机体是一个能保持动态稳定的系统；生命过程是生物体和环境的相互作用。活的东西的基本特征是组织。处于积极的活动状态，3、等级观念，即有机体是按等级组织起来的，生物系统是分等级的，从活的分子到多细胞个体，再到超个体的聚合体，可谓层次分明，等级森严。第三页，共40页。1、系统的基本概念

系统——有相互作用的元素的综合体。要素——系统中原子系统即基本组成部分。结构——是系统内部各要素之间相互联系和相互作用的方式。它表现为各要素在时间和空间上的组合形式。功能——是系统在与外部环境相互联系和相互作用过程中所具有的行为、能力和功效。是系统对外的表现。第四页，共40页。2、系统基本特征系统论认为，整体性、关联性，等级结构性、动态平衡性、时序性等是所有系统的共同的基本特征。系统论显然把那些不具备这些属性的集合体不看成系统。常常把一团散沙和系统相对立。第五页，共40页。整体性和相关性系统是由若干部分组成，各部分之间有机的联系的复杂程度是系统的主要特征。构成系统的各个部分可以具有不同的功能，但系统的整体功能往往不是各部分功能的简单组合。子系统相互关联越强，系统的整体功能功能就越显示出与部分功能的组合不同。1+1=2;1+1<2;1+1>2第六页，共40页。系统与要素关系⑴整体的性质不一定是要素具备的。如H2O的性质与H或O都不同。⑵要素的性质影响整体。如一台机器中，一个部件出错，机器就会不正常。⑶要素性质之间相互影响。改变要素间的相互作用是改变系统性质的方法之一。第七页，共40页。例②拿破仑说数量小时较多数法国人不敌少数马克留木人，数量大时较少法国人可以战胜较多数马克留木人。③人们常说"三个臭皮匠等于一个诸葛亮"。④上网游戏、吸毒、赌博等往往是哥儿们相互影响上隐的。⑤"三个和尚没水吃"，其原因是他们的能量消耗在内耗上。①钢筋混凝土结构的强度就大于钢筋、水泥、沙石的强度之和。第八页，共40页。功能和目的性大多数系统的活动或行为可以完成一定的功能，但不一定所有系统都有目的，例如太阳系或某些生物系统。一个水桶具有储水的功能，但它没有思维，本身没有目的。动物的行为有一定的目的性，但主要就是为了笕食存活。人类具有思想，行为的目的性明显增强。可见较为高级的系统才有目的性。人造系统或复合系统都是根据系统的目的来设定其功能的。第九页，共40页。结构与功能⑴要素不变时，结构决定功能。如种类无数的有机物几乎都主要是碳、氢、氧、氮组成。常常是组成结构不同。又如电子元件不同的组合可以形成各种家电。（反过来，结构相同，要素不同，功能不同）⑵结构、要素都不同则可以有相同的功能。如人脑系统和计算机系统在部分功能上相似。利用这一原则，可以设计各种仿真系统。⑶同一结构可能有多种功能。如一付中药可能有多种疗效。第十页，共40页。环境适应性一个系统和包围该系统的环境之间通常都有物质、能量和信息的交换，外界环境的变化会引起系统特性的改变，相应地引起系统内各部分相互关系和功能的变化。为了保特和恢复系统原有特性，系统必须具有对环境的适应能力，例如反馈系统、自适应系统和自学习系统等。不同的系统适应环境的能力是不同的，但也不是非常高级的系统才有适应能力。第十一页，共40页。有序性、层次性和等级高级的复杂的系统不仅是有序的，而且往往具有复杂的层次结构和很高的目的性。一般系统论的一个重要成果是把生物和生命现象的有序性和目的性同系统的结构稳定性联系起来。行政系统分为科、处、局、部、委…；军事系统分为排、连、营、团、师、军…，表现出系统的层次性。根据系统层次的有序程度和目的性程度可以划分不同的等级。一般来说，结构层次复杂有序，目的性很强，则系统等级就高。比如说人比动物等级高级，就在于人因获取信息处理信息的能力比动物强了多，则人的目的性远远比动物强。第十二页，共40页。系统划分按组成要素的性质（按人类干预的情况）分：自然系统——原始的系统都是自然系统，如天体、海洋、生态系统等。又如呼唤系统、消化系统、循环系统、免疫系统等。人造系统——如人造卫星、海运船只、机械设备等。又如：交通系统、商业系统、金融系统、工业系统、农业系统、教育系统、经济系统、文艺系统、军事系统、社会系统等等。复合系统——既包含人造系统又包含自然系统。系统工程所研究的对象大多复合系统。第十三页，共40页。按系统与环境的关系分：开放系统：物质、能量和信息都有交换。有活力有生命的系统如：商业系统、生产系统或生态系统，都是开放系统。只有开放系统才有可能在环境发生变化时，开放系统通过系统中要素与环境的交互作用以及系统本身的调节作用，使系统达到某一稳定状态。但并不是说开放系统都是进化的。封闭系统：没有物质的交换，但有能量和信息的交换。如密闭罐中的物体。孤立系统：则没有任何交换。理论和实践证明它是退化系统。第十四页，共40页。按系统的规模分：小型系统、中型系统、大型系统和巨型系统。按学科领域分：自然系统、社会系统和思维系统。按状态划分：有静态系统和动态系统。还有平衡系统、非平衡系统、近平衡系统、远平衡系统等等。还有：实体系统和抽象(概念)系统；宏观系统、微观系统。第十五页，共40页。3、系统方法系统论思想观点，也是系统方法的基本原则，具有科学方法论的含义，这正是系统论这门科学的特点。贝塔朗菲对此曾作过说明，英语SystemApproach直译为系统方法，也可译成系统论，因为它既可代表概念、观点、模型，又可表示数学方法。系统方法应用于工程产生了系统工程。第十六页，共40页。系统工程系统工程——是从整体出发合理开发、设计、实施和运用系统科学的工程技术。根据总体协调的需要，综合应用自然科学和社会科学中有关的思想、理论和方法，利用电子计算机作为工具，对系统的结构、要素、信息和反馈等进行分析，以达到最优规划、最优设计、最优管理和最优控制的目的。1957年古德和迈克尔出版了《系统工程学》标志了它的诞生。第十七页，共40页。霍尔

三维结构逻辑维步骤问题形成时间维知识维目标选择系统综合系统分析最优化决策实施计划规划

计划

研制

生产

安装

更新

运行

社会科学法律工程管理医学环境教育第十八页，共40页。都江堰2200年前，中国古代的都江堰是运用系统工程的成功的范例。它主要由三项主体工程：“鱼嘴”岷江分水工程、“飞沙堰”分洪排沙工程、“宝瓶口”工程以及120个附属工程巧妙合成。其中每一部分都是不可缺的。都江堰水利工程在四川都江堰市城西第十九页，共40页。地图第二十页，共40页。照片弧灌溉排洪“鱼嘴”分水提把岷江水一分为二“飞沙堰”溢洪道“宝瓶口”引水口第二十一页，共40页。最优化问题运用系统论讨论问题往往是为最好的实现目标。方法是通过改变要素和结构使系统功能最佳。如田忌赛马的故事；战争时的布阵；材料的人工设计等。运筹学、决策论主要就是讨论优化问题。1950年美国的莫尔斯和基博尔出版《运筹学方法》，标志着运筹学的诞生。第二十二页，共40页。二、控制论控制论是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科。1948年美国数学家维纳出版了《控制论》一书，标志着控制论的正式诞生。控制论一词Cybernetics，来自希腊语，愿意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义。第二十三页，共40页。控制的概念控制——为了‘改善’某个或某些对象的功能，需要获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的加于该对象的作用。

控制对象存在着多种发展的可能性，因而控制实质上意味着在事物发展的可能性空间中进行有方向性的选择，所以控制作用是带目的性的能动作用。第二十四页，共40页。系统的行为和目的行为——系统在外界环境作用（输入）下所作的反应（输出）。生物系统的目的性行为是指外界环境的改变对生物体的刺激对生物系统来说就是一种信息输入，生物体对这种刺激的反应对生物系统来说就是信息的输出。推而广之，控制论认为任何系统要保持或达到一定目标，就必须具有一定的反馈行为。第二十五页，共40页。反馈反馈——系统输出信息返回输入端，经处理，再对系统输出施加影响的过程。正反馈——反馈信息与原信息起相同的作用，使总输入增大。系统目标偏离。加剧系统不稳定。负反馈——反馈信息与原信息起相反的作用，使总输入减小。系统目标偏离减小。系统稳定。负反馈是控制论的核心问题。第二十六页，共40页。闭环控制系统一般控制系统为闭环控制系统，如图：第二十七页，共40页。系统的稳定性系统稳定性定义：当一个实际的系统处于一个平衡的状态时，如果受到外来作用的影响时，系统经过一个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态，我们称这个系统就是稳定的，否则称系统不稳定。稳定性是对系统的一个基本要求，反馈对系统的控制和稳定起着决定性的作用，无论是生物体保持自身的动态平稳（如温度、血压的稳定），或是机器自动保持自身功能的稳定，都是通过反馈机制实现的。第二十八页，共40页。控制系统的一般结构第一，传感器。检测比较装置。作用主要是获得反馈。第二，控制器。作用是用来决定应该怎样做。第三，执行器。作用是完成控制器下达的决定。第四，控制量。这是我们自动化机器所要达到的最终目的。第二十九页，共40页。例人工控制系统结构图自动控制系统结构图人手控制机器控制第三十页，共40页。控制量——受控对象所谓受控对象是指在一个控制系统中被控制的事物或生产过程,比如发电机的端电压，火炮的角度和方向,锅炉气包温度等等。在设计和分析一个控制系统时，了解控制对象的特性是非常重要的。因为，如果对象的特性不一样，其所需要的控制策略也会大相径庭的,最终控制效果也大不相同。第三十一页，共40页。控制论应用|导弹技术第三十二页，共40页。三、信息论1948年申农发表的《通讯的数学理论》一文，成为信息论诞生的标志。申农为解决通讯技术中的信息编码问题，把发射信息和接收信息作为一个整体的通讯过程来研究，提出发通讯系统的一般模型；同时建立了信息量的统计公式，奠定了信息论的理论基础。信息论的创始人是美贝尔电话研究所的数学家申农（C.E.Shannon1916——），第三十三页，共40页。一般通信系统模型信源编码译码信宿噪声消息消息+噪声消息第三十四页，共40页。信息的定义就本体论意义而言，信息是标志事物存在及其关系的属性。这样的描述难以将信息定量化。就认识论意义而言，信息是认识主体接收到的、可以消除对事物认识不确定性的新内容和新知识。因此申农是从根据这一点给出了信息量的数学形式。第三十五页，共40页。信息量数学公式申农的公式：H(x)=ΣP(xi)h(xi)=－ΣP(xi)·log2P(xi)其中：H（x）表示信息量，P(xi)表示某状态xi不确定的概率，h(xi)=—log2P(xi)，表示某状态xi的不定性数量或所含的信息量。若P(xi)=1，则h(xi)=0；若P(xi)=0，则h(xi)=∞；当ｎ=2，且P1=P2=1/2时，H(x)=1比特。因此可见一个等几率的二中择一的事件具有1比特的不定性或信息量。第三十六页，共40页。信息与熵关系信息