系统工程理论Word格式.docx

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由于系统工程处理的对象主要是信息，所以系统工程是一门“软科学”。

系统工程在自然科学与社会科学之间架设了一座沟通桥梁。

现代数学方法和计算机技术，通过系统工程，为社会科学研究增加了极为有用的定量方法、模型方法、模拟实验方法和优化方法。

系统工程为从事自然科学的工程技术人员和从事社会科学的研究人员的相互合作开辟了广阔的道路。

图22系统科学的体系

第二节系统工程的理论基础

系统工程是一门交叉学科，有其宽广的理论基础。

系统工程的理论基础及工具的框架，大致如图23所示。

正如钱学森同志所说：

“我认为把运筹学、控制论和信息论同贝塔朗菲（一般系统论）、普利高津（耗散结构理论）、哈肯（协同学）、弗洛里希、艾肯等人的工作融会贯穿，加以整理，就可以写出《系统学》这本书”，可见系统论、信息论、控制论、运筹学是系统科学的重要理论基础及工具。

运筹学提供了定量分析的工具，三论为系统科学的开展注入了新的思想。

下面就这几方面内容进行简要阐述。

耗散结构理论

协同学

突变论

线性规划

动态规划

排队论

存储论

对策论

图论

……

概率论、数理统计

高等代数

模糊数学

集合论

数理逻辑

计算机科学

模拟技术

工程技术

经济学

心理学

哲学

社会科学

图23系统工程理论基础及工具

一、控制论

（一）控制论的产生与开展

947由美国人维纳（NorbertWiener）创立的控制论（Cybernetics）是一门研究系统的控制的学科。

维纳于948出了《控制论》一书，他对控制论的定义是：

“关于动物和机器中控制和通信的科学。

”明确地指明这门新科学既突破了动物和机器地界限，又突破了控制工程与通信工程地学科界限。

因而维纳的控制论阐述着两个根本观念：

一切有生命、无生命系统都是信息系统。

控制的过程也可以说是信息运动的过程。

无论是机器还是生物，在构成控制系统的前提下，都存在着对信息进行接收、存取和加工的过程。

②一切有生命、无生命系统都是控制系统。

一个系统，一定有它的特定输出功能，而要具有这种输出功能，必须有相应的一套控制机制。

控制必须要有目标，没有目标，则无所谓控制。

通过一系列有目的的行为及反响使系统受到控制。

人们根据维纳的定义形成的比较公认的看法是：

“控制论是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。

”钱学森认为其是二十世纪上半叶最伟大的三项理论（相对论、量子论、控制论）之一。

控制论的开展已大致经历了三个时期。

从40代末到50代是第一个时期，即经典控制理论时期。

在这一时期，主要的研究对象是单因素控制系统，重点是反响控制，借以实现的工具是各种各样的自动调节器、伺服机构及其有关的电子设备，着重解决单机自动化和局部自动化问题。

如用自动调节器来控制锅炉水位，用伺服机构使雷达自动跟踪目标，控制火炮自动瞄准等。

但是这些都是单变量自动控制，只解决单输入与单输出系统的控制问题，在应用上有一定局限性。

控制论开展的第二个时期为60代，即现代控制理论时期。

随着导弹系统、人造卫星、航天系统等科学技术的迅速开展，提出了多输入、多输出、高精度和参数时变系统的分析和设计问题，以往经典控制论已不能满足需要了。

因而这一时期，控制论的主要研究对象就成了多因素控制系统，研究重点是“最优控制”，研究借助的工具是电子计算机。

美国科学家卡尔曼（Kalman）等人将量子力学等内容引入到了控制论中，扩展了经典控制论的内容，将控制论从“经典控制论”推向“现代控制理论”，从单变量的自动调节开展到多变量的最优控制。

进入70代以后，是大系统控制理论时期。

在这一时期，主要研究对象是因素众多的大系统，重点是大系统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联机和智能机器，应用领域主要为社会系统、经济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。

这些大系统是大规模复杂系统，其规模庞大、结构复杂、环节数量大或层次较多，其间关系错综复杂，影响因素众多，并常带有随机性质的系统。

研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、建立模型的模型简化等问题成为大系统理论。

分解与协调的方法是大系统优化的基本方法。

（二）控制论的基本概念

1.控制系统的构成

控制系统由施控器、受控器和控制作用的传递者三者组成，形成一个整体的控制功能和行为，但这又是相对于某种环境而言。

因而可以把施控器、受控器和控制作用的传递者三个局部所组成的、相对于某种环境而具有控制功能与行为的系统，称为控制系统。

控制系统按照有无反响回路而分为闭环控制系统和开环控制系统两大类。

没有反响回路的控制系统叫开环控制系统。

具有反响回路的控制系统叫闭环控制系统。

与开环系统相比，它不仅多了一条把输出回输到原来的控制器的反响回路及反响装置，还多了一个比较器。

如图24所示。

因为开环控制系统是由系统的输入直接控制着它的输出的，因而对环境的适应能力差，只有当外界干扰较小或干扰恒定时，这种控制系统才能正常发挥作用。

闭环控制系统由于带有反响回路，所以它的输出是由输入和输出的回输共同控制的，因而其对环境有较大的适应性。

图24闭环控制系统框图

控制论研究的重点是带有反响回路的闭环控制系统，并不是任意的控制系统。

控制论首要的观点是反响，从反响的观点看，反响（负反响）就是控制的调节行为，因而多把控制论系统局限于带反响回路的闭环控制系统。

控制论的另一个重要观点是信息。

从信息的观点出发，可以认为控制论所说的反响是指信息反响。

因而控制论系统是通过信息的传输、变换和反响来实现自动调节的控制系统。

2.系统的稳定性

系统处于环境之中，受到内、外部的干扰（即把系统从一种状态变迁到另一种状态的作用），要保证系统确定的性质和功能，就必须具有抗干扰的稳定性。

稳定性分为第一类稳定性和第二类稳定性。

当外界的变化不致使系统发生显著变化时，也就是说任意给定一个，必存在一个使得时（为系统的起始状态，为平稳状态），称为第一类稳定性。

当系统所受到干扰偏离正常的状态时，在干扰消失后能自动恢复其正常状态时，也就是说任意给定一个，必存在一个，当（系统恢复正常的时间），使得时，称为第二类稳定性。

3.系统的稳定机制及控制方式

稳定机制中的基本机制是负反响。

“一切有目的的行为都可以看作需要负反响的行为。

”所以，机器和生物一般都通过负反响来到达控制的目的的。

这是控制论的基本理论观点。

维纳等人指出：

人的“随意活动中的一个极端重要的因素就是控制工程师们所谓的反响作用。

”技术系统与生物系统在结构上都具有反响回路，在功能上则表现为它们都具有自动调节和控制功能。

反响有两类：

正反响与负反响。

如果输出反响回来放大了输入变化导致的偏差，这就是正反响；

如果输出量反响回来弱化了输入变化导致的偏差，这就是负反响。

正反响的作用是用来放大某种作用或效应；

使有直接关联的系统相互促进，协调开展。

负反响的作用是保持系统行为的稳定；

使系统的行为方向趋向一个目标。

此外，控制过程的实现，离不开系统要素间的信息联系和运动。

所以，控制的过程也可以说是信息运动的过程。

维纳提出了同构理论。

这种理论认为，尽管机器与动物在质上相差甚大，但从机器控制的动作和人的行为过程来看，它们都具有一种共通的性质：

同构性。

在这种“同构理论”的基础上，维纳从伺服机构理论中引入了“反响”概念，从无线电通信工程中引入了“信息”概念，提出依靠信息与反响运动实现控制是在机器和动物中普遍存在的一种运动方式。

4.系统的结构结构是指要素在系统范围内的秩序，亦即要素之间相互联系、相互作用的内在方式。

任何系统都具有一定的结构，没有无结构的系统。

系统的有序性越高，系统结构也就越严密。

系统结构的特点是：

（）层次性是系统结构的普遍形式。

整个宇宙可以看成一个系统，这个系统也有结构，它按自然开展规律形成等级秩序，这就是结构的层次性。

（2）结构具有相对性。

较高层次具有较高的复杂性。

系统与要素是相对于系统的等级和层次而言的。

一般说来，高一级的结构层次对低一级的结构层次有着制约性，而低一级结构又是高一级结构的基础，低一级结构层次反作用于高一级结构层次，它们之间的关系是辨证的。

（3）各层次都有其自身的最正确规模。

层次可以按照系统中各要素联系的方式、系统运动规律的类似性、人类认识尺度的大小、能量变化的范围和功能特点来划分，不当的层次划分会影响人们对客观系统的正确认识。

（4）结构具有稳定性。

系统之所以能够保持它的有序性，就在于其各要素之间有着稳定的联系。

结构的稳定性是指结构总是趋于保持某一状态，具有抗干扰力。

结构中各要素稳定联系的类型有二：

平衡结构和非平衡结构。

平衡结构如晶体，其结构稳定性是非常明显的；

非平衡结构又有两种：

一种组织严密、有机程度高，如生物体，它与外界经常交换物质、能量和信息，呈动态稳定，以维持自身生存；

另一种是非严密组织的结构，如生态系统中的花粉传播结构，由蜜蜂花蜜花粉三者构成有机联系，这种方式虽然偶然成分很大，但隐藏着必然、有序的方面，正是通过这种传播结构，蜜蜂和花丛才得以繁衍后代。

（5）结构具有开放性和动态性。

系统总要与外界进行物质、能量和信息的交换，并在交换过程中使自身开展变化，由量变到达质变，这就是结构的开放性和动态性，这是绝对的，不存在绝对的封闭系统。

系统各层次之间以及每个层次内部要素之间也都存在着物质、能量或（和）信息的联系。

系统结构有其意义：

结构说明存在的方式，不同结构为不同物；

结构决定系统的性能。

要素相同而结构不同，功能也不同。

如石墨与金刚石同由碳原子组成，但由于结构不同，它们的性质便迥然不同。

5.系统的能控性、能观性

一个系统假设具有能控性和能观性，就可以对它实施最优控制，否则只能求其次优控制，甚至不能控。

假定系统初始时刻处于状态空间任意一点XR，如果系统能通过控制函数（输入）在有限时间内将系统由初态XR转移到状态空间原点，则说明这一系统具有能控性。

假定系统初始