2016系统工程理论基础(管理学院)

1第二章系统工程理论基础一、系统科学的学科体系二、系统工程的理论基础三、系统工程理论的发展趋势钱学森提出的现代科学技术体系——四个层次一座桥梁后增加地理科学，建筑科学工程技术：亦称生产技术，是在工业生产中实际应用的技术。技术科学：研究指导生产技术的基本理论学科。与自然科学、社会科学、哲学、数学并列，被认为科学的五大基本部类之一。基础科学：以自然现象和物质运动形式为研究对象，探索自然界发展规律的科学。包括数学、物理学、化学、天文学​、地理学、生物学6门基础学科及其分支学科、边缘学科。哲学:社会意识形态之一，是关于世界观的学说。是理论化、系统化的世界观，是自然知识、社会知识、思维知识的概括和总结，是世界观和方法论的统一。35第二章系统工程理论基础一、系统科学的学科体系二、系统工程的理论基础三、系统工程理论的发展趋势6•从系统工程的定义可以看出，系统工程是一门跨学科的边缘性交叉学科，它包括自然、社会及工程设计分析等方面的知识，它是由一般系统论、经济控制论、运筹学等学科相互渗透、交叉发展而形成的。一般系统论控制论信息论发展耗散结构理论协同学突变论1、一般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。返回返回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。返回返回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。返回返回一般系统论的方法启示•1，整体论代替还原论•2.思辨原则代替实验原则•3，以目的论代替因果论2、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。返回返回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。返回返回2.1控制论的定义:至今并没有一个公认的、比较完善的表述。维纳的定义：控制论“是关于动物和机器中控制和通讯的科学”；我国学者钱学森的定义：“控制论是研究系统各个部分如何进行组织，以便实现系统的稳定和有目的的行动”。控制论发展的三个阶段：•Ⅰ：50年代末以前，经典控制论，黑箱理论，传递函数，作用有限；•Ⅱ：50年代末至70年代初，现代控制论、最优控制理论；•Ⅲ：70年代初以后，大系统理论、动态最优控制理。经济系统都是大系统。2.2、控制论的基本概念控制系统的组成控制系统：一般是由控制器、被控对象、传感器、比较器等主要部分组成，对某种环境具有控制功能与行为的系统。。比较器闭环控制系统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。返回返回反馈反馈——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。返回返回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。系统的稳定机制与控制方式返回返回2.3控制论对系统工程方法论的启示黑箱——灰箱——白箱法功能模拟法形式化、数量化、最优化方法2.4控制论的应用：经济控制论•英国，古典政治经济学家，亚当•斯密：商品的市场价格像一只“看不见的手”维持着市场供需的均衡；完美体现了控制论思想EDPQS经济控制模型：也称为经济数学模型、经济模型•是在一组基本假设条件下，用数学关系式定量描述经济系统特征的模型。•所描述的数量关系必须符合经济因果关系和价值规律。一定的使用条件；合理的经济解释。经济控制模型分类：按照建模方法的不同，可分为理论模型和仿真模型。理论模型：清楚经济系统内部运行机理根据基本经济理论推理分析建模（白箱建模）。仿真模型：不太了解经济系统内部的运行机理借助于辨识的方法建立的模型（灰箱或黑箱建模）。经济仿真模型在帮助人们认识复杂经济活动中发挥着越来越重要的作用。实验经济学本课重点经济控制模型分类：按照数学表达式的不同，经济模型还可分为•代数方程、差分方程、微分方程模型；•离散、连续；•静态、动态模型；•单变量、多变量模型；•线性、非线性模型；•输入输出模型、状态空间模型等。经济控制模型的应用（1）研究经济结构。经济结构：经济系统中各种因素之间的比例关系及变化规律。（经济总量、经济结构）（2）进行经济发展预测和市场需求预测。（3）规划研究。为制定经济发展规划提供科学的依据。3、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——），返回返回•请解释一下什么叫信息？—“消息”、“信号”、“知识”、“情报”—“消息”信息•信息论是怎样的一门学科？3.信息论“信息”是当代使用频率很高的一个概念，也是很难说清楚的一个概念。据不完全统计，信息的定义有好多种，它们都从不同的侧面、不同的层次揭示了信息的某些特征和性质，但至今仍没有统一的、能为各界普遍认同的定义。信息的定义信息的定义百余种流行的科学定义；1948，控制论创始人N．Ｗiener：信息是信息，不是物质，也不是能量—《控制论—动物和机器中通情与控制问题》—首先将“信息”上升到“最基本概念”的位置•香农的信息定义•钟义信的信息定义什么是信息？香农其人•20世纪中叶，信息论、控制论、系统论等标新立异的新理论相继问世，有力地“晃动”着传统的科学框架。克劳德·香农是一位美国数学工程师，作为信息论的创始人，人们认为他是20世纪最伟大的科学家之一。他在通信技术与工程方面的创造性工作，为计算机与远程通信奠定了坚实的理论基础。人们尊崇香农为信息论及数字通信时代的奠基之父。•信息概念、“比特”•克劳德·香农(ClaudeElwoodShannon，1916-2001)1916年4月30日诞生于美国密西根州。•父亲是该镇的法官，母亲是镇里的中学校长，香农的祖父是一位农场主兼发明家，发明过洗衣机和许多农业机械；此外，香农的家庭与大发明家爱迪生还有远亲关系。香农其人—家庭背景•2001年2月24日，香农在马萨诸塞州Medford辞世，享年85岁。•贝尔实验室和MIT发表的讣告都尊崇香农为信息论及数字通信时代的奠基之父。香农其人•1938年在MIT获得获得电气工程硕士学位，硕士论文题目是《ASymbolicAnalysisofRelayandSwitchingCircuits》(继电器与开关电路的符号分析)。他注意到电话交换电路与布尔代数之间的类似性，即把布尔代数的“真”与“假”和电路系统的“开”与“关”对应起来，并用1和0表示。于是他用布尔代数分析并优化开关电路，这就奠定了数字电路的理论基础。•哈佛大学的伽登纳(HowardGardner)教授说，“这可能是本世纪最重要、最著名的一篇硕士论文。”香农其人—攻读学位•1940年香农在MIT获得数学博士学位，而他的博士论文却是关于人类遗传学的，题目是《AnAlgebraforTheoreticalGenetics》(理论遗传学的代数学)。香农其人—攻读学位•1948年发表论文：《AMathematicalTheoryofCommunication》“通信的根本问题是报文的再生，在某一点与另外选择的一点上报文应该精确地或者近似地重现”这篇论文建立了信息论这一学科，给出了通信系统的线性示意模型的新思想在这篇论文中，香农首次引入“比特”(bit)一词香农其人—信息理论•通信的数学理论是香农在数学与工程研究上的顶峰。他把通信理论的解释公式化，对最有效地传输信息的问题进行了研究。•后来，写道：“信息理论可能像一个升空的气球，其重要性超过了它的实际成就”香农其人—信息理论•香农理论的重要特征是熵(entropy)的概念，他证明熵与信息内容的不确定程度有等价关系。•熵曾经是波尔兹曼在热力学第二定律引入的概念，可以把它理解为分子运动的混乱度。信息熵也有类似意义。香农其人—信息理论热能不能完全转化为机械能，只能从高温物体传到低温物体•香农可以熟练地玩一套杂技。一个脍炙人口的故事：他经常骑着独轮车、手里抛着三个球来到贝尔实验室的大厅。发明过有两个座位的独轮车，不过恐怕没有人敢与他享；他还把独轮车造成偏离地心的，骑在上面忽高忽低，像鸭子行走似的这些活动表明了香农的主张，即好奇心比实用性对他的刺激更大。他的名言是：“我感到奇妙的是事物何以集成一体。”香农其人—业余爱好•1941年香农以数学研究员的身份进入新泽西州的AT&T贝尔电话公司，并在贝尔实验室工作到1972年；从24岁到55岁，整整31年。•1956年他当了MIT的访问教授，1958年成为正式教授，1978年退休。•二战时期，香农博士是一位著名的密码破译者。1949年香农发表了另外一篇重要论文《CommunicationTheoryofSecrecySystems》意义：使保密通信由艺术变成科学！香农其人—参加工作香农其人—荣誉奖项•是使我们的世界能进行立即通信的少数科学家和思想家之一•是美国科学院院士、美国工程院院士、英国皇家学会会员、美国哲学学会会员•获得：1949年Morris奖、1955年Ballantine奖、1962年Kelly奖、1966年的国家科学奖章、IEEE的荣誉奖章、1978年Jaquard奖、1983年Fritz奖、1985年基础科学京都奖佛兰克林研究所的巴兰亭奖章美国工业电子工程协会颁发的凯莱奖美国电机和电子工程协会的荣誉奖•收到两封信（消息）：•一封谈的是其同学最近的工作、学习状况；•一封是家信，谈的是家人的健康状况；有同事问：你从那一封信中获得了更多的信息？进一步问：家信含有的信息比同学来信中多多少？#很难回答—经验性的把“信息”与“消息”混为一谈信息的定义香农的三个观点：1）形式化假说通信的基本问题是在消息的接收端精确或近似地复制发送端发出的消息。通信中消息的意义和效果与通信工程没有关系。@台湾将于2