系统动力学第二章(1)

南京农业大学管理工程系NanjingAgriculturalUniversityDepartmentofManagementEngineering1第二章SD理论的基本概念和构模过程与步骤2本章主要内容2.1系统与模型2.2反馈系统2.3系统的结构2.4系统的行为模式2.5系统的描述2.6SD理论的基本观点及与其他学科的关系2.7系统动力学的方法、过程和步骤32.1系统与模型1、系统系统的定义《韦氏词典》系统是有组织的和被组织化了的整体，结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则、相互作用、相互依赖的诸要素形成的综合体。贝塔朗菲系统是相互作用的诸要素的结合体。42.1系统与模型1、系统系统的定义日本JIS标准系统是许多要素保持有机的秩序，向同一目的行动的体系。钱学森系统是由相互作用、相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。52.1系统与模型1、系统系统的定义一般认为系统是由相互联系、相互制约、相互作用的若干部分所组成的具有特定功能的有机整体。包含三层含义：（1）系统必须由两个或两个以上的要素组成；（2）系统中要素之间存在着有机的相互联系和相互作用的机制，从而形成系统一定的结构和秩序；（3）系统具有特定的功能，而这些功能是任何一个部分都不具备的。62.1系统与模型1、系统系统的特性（1）集合性指系统是由两个或两个以上的要素组成的集合体；（2）相关性是指系统内部各要素之间的相互作用、相互依赖的特定关系；（3）目的性是指系统具有明确的目标，即特定功能；72.1系统与模型1、系统系统的特性（4）层次性是指系统各要素之间的地位与作用、结构与功能上表现出来的等级秩序性；82.1系统与模型1、系统系统的特性（5）整体性是指由若干要素组成的所具有的整体性质和功能，这种功能是单个要素所不具备的，同时也不是各要素的功能的简单叠加；（6）环境适应性是指系统适应外界环境变化的能力。系统和环境之间进行物质、能量、信息的交换。92.1系统与模型1、系统系统的分类自然系统和人工系统实体系统和概念系统动态系统和静态系统可控系统和不可控系统孤立系统、封闭系统与开放系统开环系统与闭环系统专业对象系统（社会系统、经济系统、生态系统等）普通系统、大系统、巨系统10系统与环境的关系图例SSS孤立系统封闭系统开放系统112.1系统与模型2、模型模型的概念模型是现实系统的替代物;模型是描述某些事物的一组法则与关系；模型是对现实问题某些剖面的代表和简化描述，它本质地描述系统的内在结构、关系与规律。122.1系统与模型2、模型为什么要建立模型有些系统不容许在现实生活中进行试验；有些系统现实生活中容许做实验，但成本太高，花费时间太长；有些实际系统太复杂；建立模型，可以提供脱离具体内容的逻辑推理和计算的基础，有利于科学规律、理论、原理的发现，有利于发现一类事物的共性。模型研究具有经济、方便、快速、可重复的特点！132.1系统与模型3、系统与模型的关系系统与模型之间存在一种映射关系。图2.1模型与现实系统的关系系统行为结果模拟决策分析模型实施应用评估实际系统现实系统模型142.2反馈系统1、反馈的概念系统内同一单元或同一子块的输出与输入间的关系称为反馈。反馈强调是信息的反馈！图2.2反馈示意图152.2反馈系统2、反馈系统与反馈回路反馈回路反馈回路就是由一系列因果与相互作用链组成的闭合回路。室温加热器温度继电器期望室温—+162.2反馈系统2、反馈系统与反馈回路反馈系统反馈系统就是包含有反馈环节及其作用的系统，反馈系统是有相互联结与作用的一组回路。反馈系统要受到系统本身的历史行为的影响，把系统已发生的行为后果反馈给系统本身，以影响系统未来的行为。172.2反馈系统2、反馈系统与反馈回路反馈系统图2.3恒温系统图图2.4库存-订货控制系统室温加热器温度继电器期望室温—+定货库存货物到达生产期望库存发货+++——182.2反馈系统3、反馈的作用与反馈系统的分类反馈的作用朝着期望目标方向调节自身的行为。反馈的类型根据反馈过程的特点，反馈可分为正反馈和负反馈两种。正反馈的特点：能产生自身运动的加强过程，在正反馈过程中，运动或动作所引起的后果将反馈，使原来的趋势得到加强；负反馈的特点：能自动寻求给定的目标，未达到（或者未趋近）目标时将不断做出反应。192.2反馈系统3、反馈的作用与反馈系统的分类反馈回路的类型正反馈回路：具有正反馈特性的回路；正反馈回路特点：发生于其回路中任何一处的初始偏离沿回路一周将获得增大与加强，正反馈回路具有非平稳、增长和自增强等特性；负反馈回路（寻的回路）：具有负反馈特性的回路；负反馈回路特点：缩小系统状态与目标之间的偏离，因此负反馈回路又称稳定回路、平衡回路或自校正回路。202.2反馈系统3、反馈的作用与反馈系统的分类反馈系统的分类反馈系统可分为正反馈系统和负反馈系统。（1）正反馈系统正反馈回路起主导作用的系统。正反馈系统具有非平稳、增长和自增强等特性。图2.5工资-物价回路物价所受的压力工资工资要求物价+212.2反馈系统3、反馈的作用与反馈系统的分类反馈系统的分类（2）负反馈系统负反馈系统（寻的系统）：负反馈回路起主导作用的系统。图2.6空调系统室温加热器温度继电器期望室温—222.3系统的结构系统的结构含义包括两个方面：一是指组成系统的单元（子结构）及其相互关系；二是指系统内部的反馈回路结构及其相互作用（SD观点）。系统的结构涉及内容：①系统S的界限；②元素、子系统、子结构Si(i=1,2,…,p)；③反馈回路结构Ej(j=1,2,…,m)；④反馈回路的组成与从属成分232.3系统的结构1、系统的界限系统的界限是指该系统的范围，它规定了形成某特定状态行为所应包含的最小数量单元。系统的界限应力图把那些与建模目的关系密切、重要的量都划入边界，边界应该是封闭的，而且边界内的系统中的反馈回路应该是闭合的回路。242.3系统的结构2、系统的基本结构从一阶反馈回路的构成来看一阶反馈回路是系统的基本结构，它是耦合系统的状态、速率与信息的回路，它们对应于系统的三个组成部分：单元、运动与信息。状态变量的变化取决于决策的结果，而决策的产生可分为两种：（1）依靠信息反馈的自我调节；（2）在一定条件下不依赖信息的反馈，而按照系统本身的某种特殊规律。252.3系统的结构2、系统的基本结构从一阶反馈回路的构成来看图2.7系统的基本结构状态速率信息状态速率信息262.3系统的结构2、系统的基本结构从反馈的类型来看系统的基本结构分为一阶正反馈回路、一阶负反馈回路、以及一阶带延迟的负反馈回路。（1）正反馈回路图2.8正反馈回路系统的状态系统净的增长率+++272.3系统的结构2、系统的基本结构从反馈的类型来看（2）负反馈回路图2.9负反馈回路系统状态纠偏行动差距目标（期望的系统状态）—++—+282.3系统的结构2、系统的基本结构从反馈的类型来看（3）带有延迟的负反馈回路图2.10带延迟的负反馈回路系统状态纠偏行动差距目标（期望的系统状态）—++—+延迟延迟延迟行动延迟管理和制定决策延迟测量、报告与察觉延迟292.4系统的行为模式1、系统行为的模式指数增长时间时间寻的302.4系统的行为模式1、系统行为的模式振荡时间时间S形增长312.4系统的行为模式1、系统行为的模式时间过度调整的增长时间过度调整并崩溃322.4系统的行为模式2、系统行为的基本模式与结构（1）指数增长指数增长是由正反馈结构产生。图2.11指数增长系统的结构与行为系统的状态时间系统的状态系统净的增长率+++332.4系统的行为模式2、系统行为的基本模式与结构（2）寻的寻的是由负反馈结构产生。图2.12寻的系统的结构与行为时间目标系统的状态系统状态纠偏行动差距目标（期望的系统状态）—++—+342.4系统的行为模式2、系统行为的基本模式与结构（3）振荡振荡是由带时间延迟的负反馈结构产生。图2.13振荡系统的结构与行为系统的状态时间目标系统状态纠偏行动差距目标（期望的系统状态）—++—+延迟延迟延迟行动延迟管理和制定决策延迟测量、报告与察觉延迟352.4系统的行为模式3、基本模式的相互作用与结构（1）S形增长系统最初是指数增长，但是逐渐减缓直到系统状态达到一个均衡水平。图2.14S形增长系统的结构与行为时间系统的状态承载能力系统状态净增长数量资源的充足性目标（系统的承载能力）+++—+净增长比例—++362.4系统的行为模式3、基本模式的相互作用与结构（1）S形增长系统包括正反馈回路和负反馈回路，在系统最初阶段，正反馈回路占主导地位，致使系统呈指数增长；但是随着系统的发展，系统中负反馈回路逐渐加强，直到其占主导地位，此时系统趋向一个均衡水平；承载能力环境所能容纳特定种群的最大规模就是承载能力。环境承载能力是由它能支持的特定类型的生物数量、环境可用资源和种群所用资源决定的。372.4系统的行为模式3、基本模式的相互作用与结构（1）S形增长S形增长的条件（1）负反馈回路中没有显著的时间延迟；（2）承载能力必须固定；（3）正反馈回路和负反馈回路的相互作用必须是非线性的。382.4系统的行为模式3、基本模式的相互作用与结构（2）带有超调的S形增长在S形增长中，先是正反馈回路占主导作用，当接近系统的承载能力时，负反馈起作用，如果负反馈回路中有时间延迟，则可能导致系统状态围绕着承载能力过渡的调整和振荡。392.4系统的行为模式3、基本模式的相互作用与结构（2）带有超调的S形增长图2.15带有超调S形增长系统的结构与行为时间承载能力系统的状态系统状态净增长数量资源的充足性目标（系统的承载能力）+++—+净增长比例—++延迟延迟402.4系统的行为模式3、基本模式的相互作用与结构（3）过度调整并崩溃在S形增长中，如果承载能力不是固定，而是被过度消耗而降低，那么系统就会过度调整并崩溃。图2.16过度调整并崩溃系统的结构与行为时间承载能力系统的状态系统状态净增长数量资源的充足性++—+净增长比例—++承载能力的消耗/破坏承载能力+—+—