自然科学概要（第二版）（微课版）课件 14.2控制论耗散机构

1系统论和信息论CONTENTS第14章系统科学控制论和耗散结构214.2课程标准

1.知识目标识记维纳（美国）、普里高津（比利时）在系统科学中的创新成果。理解并举例说明反馈方法、功能模拟方法、黑箱方法。理解耗散结构及的形成条件。

了解研究耗散结构的意义。

2.能力目标具备初步批判性思维能力。3.素质目标弘扬科学家精神，博学德清，鼎新致用。一、控制论（一）产生与发展1948年，维纳的《控制论》一书的出版，标志着控制论的诞生。控制论的发展，大致分为三个时期：

第一个时期，在20世纪40年代末和50年代，是经典控制论时期。

人们在工业生产等方面，开始采用各种自动调节器、电子设备等，着重研究单机自动化或局部自动化。

第二个时期，在60年代，是现代控制论时期。

随着导弹系统、人造卫星、航天系统等科学技术的迅速发展，研究从单变量控制转到多变量控制，从自动调节转到最优控制。第三个时期，在20世纪70年代到现在，是大系统理论时期。

不仅发展了工程控制论，还产生了生物控制论、经济控制论、人工智能等。无人机的研制和发展。

第二节控制论和耗散结构（二）基本概念

1.控制控制指的是一种带有目的性的因果联系，即产生原因系统（施控系统）对产生结果系统（受控系统）有目的的影响干预。控制一般包含三个基本要素：施控主体、受控客体和传递控制作用的特定方式或途径。

2.反馈反馈就是系统输出的全部或一部分，通过一定的通道反送回输入端，从而对系统的再输入和再输出施加影响的过程。开环控制和闭环控制示意图门厅反馈装置

（三）基本方法1.反馈方法是运用反馈概念来分析和处理问题的方法。用维纳的话说，就是“根据过去的操作情况去调整未来的行为”。例如，蝙蝠捉蚊子等。2.功能模拟方法

就是以功能和行为的相似为基础，用模型模仿原型的功能和行为的方法。蝙蝠是利用“超声波”在夜间导航的。它的喉头发出一种超过人的耳朵所能听到的高频声波，这种声波沿着直线传播，一碰到物上体就迅速返回来，它们用耳朵接收了这种返回来的超声波，使它门能作出准确的判断，引导它们飞行。功能模拟方法示意图3.黑箱方法是指当不知道或根本无法知道一个系统的内部结构时，根据对系统输入和输出变化的观察，来探索系统的构造和机理的一种方法。中医看病是应用黑箱方法的典型。侦探破案用的是黑箱方法中医看病用的是黑箱方法

二、耗散结构耗散结构理论通过对非平衡系统自组织过程的刻画，从一个侧面科学地说明了系统从无序向有序转化的具体机制。1969年，比利时科学家普里高津(1917～2003)提出的耗散结构理论，回答了系统演化的方向和演化的机制问题，解决了长期以来存在的热力学和进化论之间的矛盾。并因此获得1977年诺贝尔化学奖。普里高津(1917—2003)

（一）耗散结构机制

克劳修斯于1865年发表一篇论文，提出了“熵”的概念：将不能做功的随机和无序状态的能定义为熵，S=Q/T。

在封闭系统中，有两物体，它们的温度分别为T1和T2

，且T1﹥T2

。如在很短的时间内，有dQ的热量从T1传到T2，因为T1﹥T2

，则有：

dQ/T2-dQ/T1﹥0

这就导致了熵的增加。即：

孤立系统的熵总是会自发地趋于极大。按照耗散结构理论的解释，一个系统内的熵是由两部分组成的。其一是系统自身因不可逆过程引起的熵(dis)，它永远是正的；其二是系统与环境交换物质和能量引起的熵(des)，它可正可负。

所以系统的熵变化

ds=dis+des，

它是可正可负的。系统开放，有可能能引进负熵流

对于孤立系统来说，因为它不与环境交换物质与能量，所以des=0。

这样ds=dis+des≥0

即孤立系统只能从有序走向无序，表现出退化的趋势。对于开放系统，只要从环境中流入的负熵足以抵消系统自身的熵增加，就可以使系统的总熵减少，从而使系统从无序向有序进化，形成并维持一个低熵的非平衡态的有序结构。比如，人体就是耗散结构。由于这种有序结构的出现和维持需要从外部不断供应物质和能量，所以是一种耗费或耗散物质和能量的过程，因此称之为耗散结构。流水时有序结构

1.贝纳德流体实验从底部加热金属平板上的一层流体，开始时，流体呈无规则运动。当温度梯度达到某一阈值时，系统无序状态消失，大量流体微团从一个个紧密挤排在一起的正六边形中心涌上，又从各边流下，系统流动呈规则的花样。

2.激光实验在用光泵将其基态上的电子打到高能态上后，这些电子会自动跳回到中能态上。当中能态上的电子数超过基态上的电子数后，中能态上的电子会跳回基态，同时放出一个光子，该光子又激发另一电子跳迁，如此产生雪崩式的电子跳迁和光子发射。

由于电子顺序激发产生的激光光子相干（干涉）性好，方向性好，能量集中，就产生了激光现象。贝纳德流体和激光实验

3.B（布）-Z（扎）反应

B--Z反应是由布罗索夫和扎博亭斯基发现的化学振荡反应。在铈离子作催化剂的柠檬酸和溴酸的氧化反应中，不断取走生成物和添加反应物，使之保持一定比例，当反应浓度达到一定阈值时，加入显示剂可以看到生成物由红变蓝，再由蓝变红，呈1分钟周期，生成浓度产生振荡。B（布）-Z（扎）反应（二）耗散结构形成的条件

1.系统必须开放

开放系统，从环境中流入的负熵足以抵消系统自身的熵增加，就可以使系统的总熵减少，从而使系统从无序向有序进化，形成并维持一个低熵的非平衡态的有序结构。

2.系统应当远离平衡态“非平衡是有序之源”。

如果这种改变不是发生在临界点附近，那么系统的结构会平息涨落，系统依然是稳定的。如果涨落被放大到临界点附近，结构无法调整这些机制，稳定将转化为失稳，宏观的时空结构会发生变化。

3.系统存在非线性相互作用

自组织是自然自主地或自发地组织化、有序化、系统化运动的过程具有非线性相互作用。自组织系统不仅无须外指令即可自行组织，而且可以自行创新、自行演化，即能自主地从无序走向有序。

4.涨落导致有序在远离平衡态时，系统中一个微观随机的小扰动就会通过相干作用得到放大，成为整体的宏观“巨涨落”，推动系统从