自然科学概要（第二版）（微课版）课件 第14章 系统科学

1系统论和信息论CONTENTS第14章系统科学控制论和耗散结构214.1课程标准

1.知识目标识记贝塔朗菲（奥地利）、申农（美国）在系统科学中创新成果。识记系统、要素、环境、信息的概念。理解系统方法所遵循的原则。掌握系统方法、信息方法。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、系统论20世纪40年代产生的系统论、信息论、控制论（老三论），60、70年代出现的耗散结构、超循环论、协同学（新三论）等。这些学科分属不同的科学领域，它们却以各自的方式拥有一个共同的研究对象，即“系统”。系统科学是以系统存在和发展的规律为研究对象的学科体系，是方法论。

（一）产生与发展

20世纪20年代，奥地利学者贝塔朗菲在研究理论生物学时，用机体论批判并取代当时广为流传的机械论，形成有机体系统概念，建立机体论生物学。1968年，贝塔朗菲出版了《一般系统论——基础、发展、应用》一书，标志着这门学科已到了成熟的地步。广义的系统论除了一般系统论，还有系统方法和系统工程。它产生于20世纪40年代。

第一节系统论和信息论

（二）基本概念1.系统

系统是由相互联系、相互作用的元素（要素）按照一定的结构组成的有特定功能的有机整体。

要点：任何系统必须有两个以上的要素构成。

系统诸要素之间、要素与系统整体之间的相互联系、作用，形成了特定的结构。

要素彼此之间联系形成为一个统一的有机整体。

系统作为一个整体对环境表现出特定的功能。

孤立系统：系统与环境之间无物质、能量、信息交换.封闭系统：系统只与环境交换能量而不交换物质。开放系统：系统与环境交换物质、能量、信息。系统开放系统2.要素是组成系统的各个单元、各个部分。3.结构要素在系统内部恒定的分布和排列。4.环境指与系统组成要素发生相互作用而又不属于这个系统的所有事物的总和。5.功能系统与外界（环境）作用产生影响和效力的能力。功能以结构为基础，功能是结构的表现。

生态系统

（三）基本原则

1.整体性原则整体的功能大于各部分之和。该原则要求我们把研究的对象系统如实地作为一个整体来对待，通过努力使系统结构合理、系统内外协同作用增强，从而提高整体的效益。

3.目的性原则建立一个系统要达到什么目的必须明白无误，否则无法判定所采取的方法和手段是否正确。

2.关联制约原则该原则要求我们在研究系统时，不仅要研究构成系统的要素的性质，还要研究要素之间联系的方式、相互关联和制约的性质。

4.最优化原则是指在一定环境条件下，通过采取各种有效手段使系统达到最佳状态而费力最小。对于一些大而复杂的系统，先对子系统进行局部优化，再协调各子系统的关系，使之从整体上达到所要求的整体目标。（四）系统方法

就是从系统的观点出发，始终注意要素之间、要素与整体、整体与外部环境的相互联系、相互作用,综合地、精确地考察对象，以达到最佳地处理问题的一种方法。例如：霍尔的三维结构方法

思路要清晰，三思而后行二、信息论1948年，美国应用数学家申农在《贝尔系统技术杂志》上发表重要论文《通信的数学理论》，标志着信息论的诞生。1949年，申农又发表另一重要论文《在噪声中的通信》。在这些论文里，申农提出了通信系统模型、度量信息的数学公式以及编码定理和其他一些技术性问题的解决方案。

目前，由信息论、控制论、人工智能、计算机和系统工程等方面的内容组成的信息科学正在飞速发展。

（一）产生与发展

1.信息狭义的信息是指具有新的内容、新知识的消息（如书信、情报、指令等）。广义的信息是指系统内部建立联系的特殊形式，是系统确定程度（即特殊程度、组织程度或者有序程度）的标记。通信科学中的信息，就是指消息，它是通信的内容。通信者通过通信获取信息，可以消除某种知识上的不确定性。

（二）基本概念2.信息量在自然界和人类社会中，我们把现象归纳为三类：一类是在一定条件下必然要发生的现象，称为必然事件。第二类是在一定条件下，必然不会发生的现象，称为不可能事件。第三类是在相同条件下可能发生，也可能不发生的现象，称为随机事件。概率就是用来表示事件发生的可能性大小的一个量，记作P。

事件A发生的概率为有利于事件A发生的基本事件数（m）与总的基本事件数（n）之比。

即P（A）=m／n。例如：袋中有5个白球，3个黑球，那么摸到白球这一事件A的概率为有利于事件A发生的基本事件5个白球与总的基本事件数8之比，因此事件

A发生的概率为5／8。

用概率来定量地描述信息量。

信息量的多少取决于消息所讲事件发生的可能性大小。如果所讲事件发生的可能性小，则消除它的不确定性要多些，信息量也就多些。即：概率小的事件、信息量多。

在实际运用中，信息量常用概率的负对数来表示。

I﹦－㏒a

P1/P2

；

P1/P2

表示概率。

信息量最常用的单位规定为：

以2为底的对数，单位是比特。

例如：一个口袋中有1个红球，7个白球，求摸到红球的信息量？I1﹦-㏒21/8=-(㏒2

20–㏒2

23)=3例如：一个口袋中有4个红球，4个白球，求摸到红球的信息量？I2﹦-㏒24/8=-(㏒222–㏒223)=1

（三）信息方法

申农在1948年提出的通信系统模型。所谓信息方法，就是运用信息的观点，把系统看作是借助于信息的获取、传送、加工、处理而实现其有目的性运动的一种研究方法。例如，线上授课，用的就是信息方法。老师的声音和图像的信息经过计算机输入—存储—处理—输出的结果。1.通信系统模型2.信息方法这种方法的特点是用信息概念作为分析和处理问题的基础，完全撇开对象的具体运动形态，把系统的运动过程抽象为信息的转换过程，把系统有目的的运动抽象为如下的变换过程，即：

—信息—输入—存储—处理—输出—信息—

把系统的运动过程抽象为信息的转换过程

思考与练习

1.贝塔朗菲（奥地利）、申农（美国）在系统科学中有何创新成果？2.解释系统、要素、环境、信息的概念。

3.简答系统方法所遵循的原则。

4.简答并举例说明系统方法、信息方法。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