第五讲系统科学方法论课件.ppt

1、第二篇第二篇 信息资源管理方法论信息资源管理方法论 第五讲第五讲 系统科学理论与方法系统科学理论与方法 （一）教学目的：掌握系统科学基本概念、（一）教学目的：掌握系统科学基本概念、基本理论及方法，了解系统工程方法。基本理论及方法，了解系统工程方法。（二）教学重点：通信理论、自组织理论（二）教学重点：通信理论、自组织理论（三）教学难点：系统工程理论方法（三）教学难点：系统工程理论方法（四）课时安排：（四）课时安排：6 6课时课时（五）作业：见后（五）作业：见后（六）教学内容（六）教学内容（六）教学内容（六）教学内容一、系统科学理论的产生系统科学理论的产生二、老三论二、老三论三、自组织理论（新三论

2、）三、自组织理论（新三论）四、系统科学方法四、系统科学方法五、系统工程方法五、系统工程方法一、系统科学理论的产生一、系统科学理论的产生 “老三论老三论”“新三论新三论”又称信息科学理论方法，都是围绕系统又称信息科学理论方法，都是围绕系统这个对象，但是又是以信息为研究手段的这个对象，但是又是以信息为研究手段的分析研究方法。分析研究方法。n二战以后，产生把对象作为系统来考察二战以后，产生把对象作为系统来考察的系统理论：系统论、信息论、控制论。的系统理论：系统论、信息论、控制论。n六十年代，耗散结构论、协同论、超循六十年代，耗散结构论、协同论、超循环理论又相继问世。环理论又相继问世。系统科学理论的产

3、生系统科学理论的产生n（1）社会生产力发展，出现了规模庞大、技）社会生产力发展，出现了规模庞大、技术复杂的大型工程和企业术复杂的大型工程和企业复杂结构系统，复杂结构系统，“复杂巨系统复杂巨系统”。n（2）科技、生产有机联系起来，形成一个大）科技、生产有机联系起来，形成一个大系统，它们之间相互影响，相互依赖。要实现系统，它们之间相互影响，相互依赖。要实现对系统的有效控制，就须定量、精确地揭示整对系统的有效控制，就须定量、精确地揭示整个系统的运动规律。个系统的运动规律。n（3）人们作用于劳动对象的方式发生了变革。）人们作用于劳动对象的方式发生了变革。单靠人的精力和体力去操作大机器越来越困单靠人的精

4、力和体力去操作大机器越来越困难难人人机系统。机系统。系统科学理论的产生系统科学理论的产生n（4）信息的作用明显增强，只靠人脑来）信息的作用明显增强，只靠人脑来处理信息不能适应处理信息不能适应“信息爆炸信息爆炸”。信息信息理论和方法迅速发展。理论和方法迅速发展。n（5）二战要求以最新技术、最短时间生）二战要求以最新技术、最短时间生产大量新武器，人自然地接触到系统的特产大量新武器，人自然地接触到系统的特征和规律。征和规律。n如此看来，人类科学都是逼出来的。如此看来，人类科学都是逼出来的。系统科学理论的产生系统科学理论的产生系统科学理论的包括：系统科学理论的包括：“老三论老三论”研究系统类型、一般性

5、质和一般研究系统类型、一般性质和一般运动规律的科学。其体系包括系统学，系运动规律的科学。其体系包括系统学，系统方法学和系统工程学。统方法学和系统工程学。研究信息本质和运动规律的科学研究信息本质和运动规律的科学理论。信息论是研究通讯和通讯系统中的理论。信息论是研究通讯和通讯系统中的信息传递的共同规律的科学，是一门应用信息传递的共同规律的科学，是一门应用数理统计方法研究信息和信息传递和变换数理统计方法研究信息和信息传递和变换的科学。的科学。研究各种系统的控制规律的科学。研究各种系统的控制规律的科学。系统科学理论的包括：系统科学理论的包括：“新三论新三论”n耗散结构论、协同论、突变论（超循环耗散结构

6、论、协同论、突变论（超循环论）论）n马克思：把复杂社会大系统划分为三个基本子系马克思：把复杂社会大系统划分为三个基本子系统，即生产结构系统、政治法律系统、意识形态统，即生产结构系统、政治法律系统、意识形态系统，深刻分析这些系统及各系统内诸要素之间系统，深刻分析这些系统及各系统内诸要素之间的相互作用，揭示了社会发展变化的规律性的相互作用，揭示了社会发展变化的规律性。二、老三论二、老三论（一）系统论（一）系统论：古代医学：脉象、经脉、：古代医学：脉象、经脉、气血、阴阳互补说；病症、病人、环境联系起来。气血、阴阳互补说；病症、病人、环境联系起来。n农事：种子、土壤、肥料、灌溉、季节之间的辩农事：种子

7、、土壤、肥料、灌溉、季节之间的辩证关系；证关系；n孙子兵法：政治、天时、地利、将帅、法制全局孙子兵法：政治、天时、地利、将帅、法制全局去制定作战方案。去制定作战方案。：泰勒的科学管理原理：泰勒的科学管理原理 明确提出系统管理的思想。明确提出系统管理的思想。1、系统论的产生与发展、系统论的产生与发展：贝塔郎菲（美）：贝塔郎菲（美）1945发表论文：发表论文：“关于一般系统论关于一般系统论”，1968年编著年编著出版了一般系统论的基础、发展，全面阐述出版了一般系统论的基础、发展，全面阐述了其系统论思想。了其系统论思想。：贝塔郎菲的一般系统贝塔郎菲的一般系统论，普利高津（比利时自由大学教授）论，普利

8、高津（比利时自由大学教授）1969年年提出的耗散结构理论；哈肯（西德）提出的耗散结构理论；哈肯（西德）1976年提年提出的出的“协同学协同学”理论；法国数学家托姆于理论；法国数学家托姆于1972年提出的年提出的“突变论突变论”。（）（）：美贝尔公司：美贝尔公司“系统工系统工程学程学”，兰德公司，兰德公司“系统分析系统分析”方法方法系统工系统工程的产生与发展，也为系统理论的创立作出了重程的产生与发展，也为系统理论的创立作出了重要贡献。要贡献。1、系统论的产生与发展、系统论的产生与发展2、系统论的基本范畴、系统论的基本范畴系统、要素、结构、功能、层次系统、要素、结构、功能、层次n系统系统：系统是由

9、相互作用、相互依赖的：系统是由相互作用、相互依赖的 若干组成部分组合而成的、具有若干组成部分组合而成的、具有 特定功能特定功能的有机整体。的有机整体。n系统的基本特征：系统的基本特征：系统是由若干要素组成的；系统是由若干要素组成的；这些要素相互作用、相互倚赖；这些要素相互作用、相互倚赖；由于要素间的相互作用，使系统作为一个整由于要素间的相互作用，使系统作为一个整体具有特定的功能。体具有特定的功能。要素是构成系统的不可缺少的必要成分。要素是构成系统的不可缺少的必要成分。要素有一般要素、基本要素和最基本要素的区要素有一般要素、基本要素和最基本要素的区分。分。n 联系是指要素构成为系统的媒介。系联系

10、是指要素构成为系统的媒介。系统论中比较注意耦合联系，甚至把联系与耦合统论中比较注意耦合联系，甚至把联系与耦合相互通用。相互通用。n 结构是指系统内部各个组成要素之间结构是指系统内部各个组成要素之间的相对稳定的联系方式、组织秩序以及时空关的相对稳定的联系方式、组织秩序以及时空关系的内在表现形式。系的内在表现形式。2、系统论的基本范畴、系统论的基本范畴功能是指系统具有的活动能力以及系统功能是指系统具有的活动能力以及系统在达到预期目的的过程中与外部环境相互联在达到预期目的的过程中与外部环境相互联系和相互作用中表现出来的性质、能力和功系和相互作用中表现出来的性质、能力和功效，是系统内部相对稳定的联系方

11、式、组织效，是系统内部相对稳定的联系方式、组织秩序及时空形式的外在表现形式秩序及时空形式的外在表现形式。环境是指系统以外并与系统发生联系、环境是指系统以外并与系统发生联系、存在着相互作用的客观事物或事物组成的整存在着相互作用的客观事物或事物组成的整体。是一个相对的概念。体。是一个相对的概念。2、系统论的基本范畴、系统论的基本范畴3 3、系统的描述、系统的描述结构描述亦称内部描述，是指用各状结构描述亦称内部描述，是指用各状态变量及它们之间的相互关系，亦即用一组状态态变量及它们之间的相互关系，亦即用一组状态方程来描述一个系统。这时，一般先列出各状态方程来描述一个系统。这时，一般先列出各状态变量的一

12、阶微分方程，然后考虑各变量间的相互变量的一阶微分方程，然后考虑各变量间的相互关系，得出联立方程。如有必要，则应用矩阵表关系，得出联立方程。如有必要，则应用矩阵表示，得出状态方程的矩阵形式。示，得出状态方程的矩阵形式。n 功能描述亦称外部描述或输入功能描述亦称外部描述或输入-输出输出描述。在功能描述中，通过各要素的输入描述。在功能描述中，通过各要素的输入-输出输出关系，求得整个系统的输入关系，求得整个系统的输入-输出关系。某一要输出关系。某一要素（或系统）的输入转换为其输出的机制，通常素（或系统）的输入转换为其输出的机制，通常用所谓的用所谓的传递函数传递函数来表示。来表示。n在数学上，所谓在数学

13、上，所谓传递函数传递函数是指输出拉普拉斯变换是指输出拉普拉斯变换与输入拉普拉斯变换之比。与输入拉普拉斯变换之比。一般地说，一般地说，系统的结构描述与功能描述可以相互转系统的结构描述与功能描述可以相互转化，既可以由状态方程求出传递函数，化，既可以由状态方程求出传递函数，亦可以由传递函数求出状态方程（这种亦可以由传递函数求出状态方程（这种变换称作系统的实现）。变换称作系统的实现）。3、系统的描述、系统的描述4、系统论中的基本原理、系统论中的基本原理整体性是系统各要素作为一个有机整体性是系统各要素作为一个有机统一体所表现出来的基本特性。用系统效应（统一体所表现出来的基本特性。用系统效应（SE)衡量整

14、体性。一般说来，系统效应有三种情况：衡量整体性。一般说来，系统效应有三种情况：正效应正效应：这种效应表示系统效应大于各要素：这种效应表示系统效应大于各要素效应之和，即效应之和，即 SEAE+BE+CE+。其中其中AE、BE、CE、等分别表示要素、等分别表示要素A、B、C等等的效应。的效应。0效应：效应：这种效应表示系统效应刚好等于各这种效应表示系统效应刚好等于各要素效应之和，即要素效应之和，即 SE=AE+BE+CE+。负效应：这种效应表示系统效应小于各要素负效应：这种效应表示系统效应小于各要素效应之和，即效应之和，即 SEAE+BE+CE+。由于组成系统的诸要素的差异包括由于组成系统的诸要素

15、的差异包括结构方式上的差异，从而使系统组织在地位与作结构方式上的差异，从而使系统组织在地位与作用、机构与功能上表现出等级秩序，形成了具有用、机构与功能上表现出等级秩序，形成了具有值的差异的层次性。值的差异的层次性。从发展的眼光看，系统的层次性即是系统发展从发展的眼光看，系统的层次性即是系统发展的连续性和阶段性的统一。正确地把握和运用系的连续性和阶段性的统一。正确地把握和运用系统的层次性原理，把它转化为认识方法，具有重统的层次性原理，把它转化为认识方法，具有重要的现实意义。要的现实意义。4、系统论中的基本原理、系统论中的基本原理系统具有不断地与外界环境进行系统具有不断地与外界环境进行物质、能量、

16、信息交换的性质和功能，系统向环物质、能量、信息交换的性质和功能，系统向环境开放是系统得以向上发展的前提，也是系统得境开放是系统得以向上发展的前提，也是系统得以稳定存在的条件。以稳定存在的条件。在当今的社会，任何一个系统都不可能把自在当今的社会，任何一个系统都不可能把自己完全封闭起来，否则它将无法生存。但如果不己完全封闭起来，否则它将无法生存。但如果不加选择地对外开放，那么这样的系统最终会被其加选择地对外开放，那么这样的系统最终会被其他的系统取而代之，自己也就消亡了。他的系统取而代之，自己也就消亡了。4、系统论中的基本原理、系统论中的基本原理组织系统在与环境的相互作组织系统在与环境的相互作用中，

17、在一定的范围内其发展变化不受或少用中，在一定的范围内其发展变化不受或少受条件变化或途径经历的影响，坚持表现出受条件变化或途径经历的影响，坚持表现出某种趋向预先确定的状态的特性。某种趋向预先确定的状态的特性。在开放的环境下，系统具有在开放的环境下，系统具有一定的自我稳定能力，能够在一定的范围内一定的自我稳定能力，能够在一定的范围内自我调节，从而在变化的环境中保持和恢复自我调节，从而在变化的环境中保持和恢复系统的有序状态，保持和恢复系统的结构和系统的有序状态，保持和恢复系统的结构和功能。功能。系统的稳定性是整体的稳定性，不是个别要系统的稳定性是整体的稳定性，不是个别要素、部分、层次的素、部分、层次

18、的系统的稳定性是系统的稳定性是系统在非平衡态下的保持自身有序性的特性。系统在非平衡态下的保持自身有序性的特性。系统的稳定性是相对的，而发展是绝对的。系统的稳定性是相对的，而发展是绝对的。4、系统论中的基本原理、系统论中的基本原理是指系统中要素是指系统中要素与要素、要素与系统、系统与环境、结构与要素、要素与系统、系统与环境、结构与功能之间的相互倚存和相互制约的关系。与功能之间的相互倚存和相互制约的关系。4、系统论中的基本原理、系统论中的基本原理（二）信息论（二）信息论n信息论是专门研究信息的本质和运动规律的科学信息论是专门研究信息的本质和运动规律的科学理论。它以信息和信息系统为对象，不仅要研究理

19、论。它以信息和信息系统为对象，不仅要研究信息的基本特征和运动规律，而且要研究运用这信息的基本特征和运动规律，而且要研究运用这些规律去构建高效的信息系统的方法。些规律去构建高效的信息系统的方法。n关于信息论，有着多种解释。按照涉及面的宽关于信息论，有着多种解释。按照涉及面的宽窄，可以把信息论分外三种：窄，可以把信息论分外三种：n（1）狭义信息论：主要研究信息的信息量，信）狭义信息论：主要研究信息的信息量，信道容量以及信息的编码问题。也就是申农道容量以及信息的编码问题。也就是申农（Shannon.C.E）信息论。）信息论。n（2）一般信息论：也是研究通信问题，但包括）一般信息论：也是研究通信问题，

20、但包括了噪声理论、信号滤波与预测、调制和信息；了噪声理论、信号滤波与预测、调制和信息；理等问题；理等问题；n（3）广义信息论：不仅包括）广义信息论：不仅包括1.和和2.，而且包括，而且包括所有与信息有关的领域。所有与信息有关的领域。4、系统论中的基本原理、系统论中的基本原理1 1、信息论的产生与发展、信息论的产生与发展n对信息论的产生起决定性作用的是美国数对信息论的产生起决定性作用的是美国数学家申农（学家申农（C.E.Shannon）和维纳）和维纳（N.Wiener）的研究工作。）的研究工作。度量信息量的公式：度量信息量的公式：H(x)=-kni=1P(xi)logP(xi)式中式中H(x)表

21、示信息事件表示信息事件x的平均信息量，的平均信息量，k为为常数，常数，xi表示信息事件，表示信息事件，P(xi)表示信息事件发生表示信息事件发生的概率，的概率，n表示信息事件总数。表示信息事件总数。申农于申农于19481948年发表的通讯的数学理论一文，年发表的通讯的数学理论一文，标志着信息论的正式诞生。标志着信息论的正式诞生。1、信息论的产生与发展、信息论的产生与发展n维纳对信息论的产生也做出了重大的贡献。维纳对信息论的产生也做出了重大的贡献。他和他和申农分别独立地建立了统计信息量概念，提出了申农分别独立地建立了统计信息量概念，提出了度量信息的数学公式。度量信息的数学公式。而且特别论证了控制

22、系统而且特别论证了控制系统中的信息作用中的信息作用 n发展阶段：在申农的狭义信息论的基础上，又产发展阶段：在申农的狭义信息论的基础上，又产生了广义信息论。广义信息论是以各种系统的信生了广义信息论。广义信息论是以各种系统的信息为研究对象，广泛地研究信息的本质和特点，息为研究对象，广泛地研究信息的本质和特点，以及信息获取、计量、传输、储存、处理、控制以及信息获取、计量、传输、储存、处理、控制和利用的一般规律。和利用的一般规律。1、信息论的产生与发展、信息论的产生与发展2 2、关于信息含义、关于信息含义特性特性等等n通讯理论中，申农把信息定义为通讯理论中，申农把信息定义为“事物不确定性事物不确定性的

23、消除程度的消除程度”抓住了信息的随机性和统计性这一抓住了信息的随机性和统计性这一本质。本质。n在控制论研究中在控制论研究中，维纳维纳把信息定义为把信息定义为“系统组系统组织程度的标记织程度的标记”，这实际上反映了信息的组织结，这实际上反映了信息的组织结构特征和反馈控制功能。构特征和反馈控制功能。n在系统论研究中，着重考虑系统的开放性和封闭在系统论研究中，着重考虑系统的开放性和封闭性的关系，把信息与熵联系起来，定义信息为负性的关系，把信息与熵联系起来，定义信息为负熵，揭示了信息的有序性本质。熵，揭示了信息的有序性本质。n在认识论研究中，由于强调认识主体与客体的关系，在认识论研究中，由于强调认识主

24、体与客体的关系，所以把信息定义为所以把信息定义为“认识主体所感知（或所表述）认识主体所感知（或所表述）的事物运动的状态和方式的事物运动的状态和方式”。n小结：信息概念的多样化，使人们很难为信息下一小结：信息概念的多样化，使人们很难为信息下一个反映全部内涵的定义。只要知道某个功能是指哪个反映全部内涵的定义。只要知道某个功能是指哪个层次的信息，就不致在信息研究和应用中产生歧个层次的信息，就不致在信息研究和应用中产生歧义。义。n在本体论研究中，由于研究信息与物质运动的关系，在本体论研究中，由于研究信息与物质运动的关系，故把信息定义为故把信息定义为“事物运动的状态及其存在方式事物运动的状态及其存在方式

25、”。2、关于信息含义特性等、关于信息含义特性等 信信 息息 的的 特特 性性 信息和物质、能量一起构成统一的世界。信息和物质、能量一起构成统一的世界。信息是物质固有的根本性质，整个宇宙中到处信息是物质固有的根本性质，整个宇宙中到处存在着信息。存在着信息。信息只有在物质和事物的运动和变化中才能产信息只有在物质和事物的运动和变化中才能产生出来。生出来。信息是物质相互作用过程中的一种反映形式信息是物质相互作用过程中的一种反映形式 信息是物质之间和主客体之间相互联系的一种信息是物质之间和主客体之间相互联系的一种“中介中介”形式。形式。n 信息运动具有自身的规律性信息运动具有自身的规律性n 信息的能动性

26、。信息的能动性。n 信息的累积性和长期的价值性。信息的累积性和长期的价值性。n 信息、知识和情报的区别。这三者的信息、知识和情报的区别。这三者的关系如下式：关系如下式：情报情报 知识知识 信息信息信信 息息 的的 特特 性性 3、熵理论、熵理论熵增熵减熵增熵减 信息熵的理解信息熵的理解热力熵与负熵热力熵与负熵（1）信息熵的提出：）信息熵的提出：概率相等：概率相等：H=logn个体信息：个体信息：H=-log pi越小越小,H越大越大!平均平均:H=-Pilog pi热力熵热力熵即信源的平均信息即信源的平均信息量。量。（）信源（）信源热力熵（）热力熵（）信源输出的平均信息量；系统无组织程度的度量

27、信源输出的平均信息量；系统无组织程度的度量（）信宿（）信宿负熵（）负熵（）信宿为能够排除不定度的最大信息量（信宿为能够排除不定度的最大信息量（P）；）；用其描述系统的运动过程，是反映系统由无序向用其描述系统的运动过程，是反映系统由无序向有序状态运动。有序状态运动。（4）二者关系：）二者关系：H（X）是系统混乱程度的度量，而负熵恰）是系统混乱程度的度量，而负熵恰是解除不定度所需信息的度量；要使混乱的系是解除不定度所需信息的度量；要使混乱的系统有序化就需要一定量的信息，系统从无序到统有序化就需要一定量的信息，系统从无序到有序所增加的负熵的量也恰好就是系统热力熵有序所增加的负熵的量也恰好就是系统热力

28、熵所减少的量。所减少的量。H(Y)=H(X)-H(X/Y)-条件熵条件熵 3、熵理论、熵理论 3、熵理论、熵理论A、无干扰：、无干扰：I（P）=H（Y）能全部消除）能全部消除信宿的不定性。信宿的不定性。B、有干扰：、有干扰：I（P）=H（X）-H（X/Y）信宿对信源的不定度不能完全消除。信宿对信源的不定度不能完全消除。C、完全干扰状态：、完全干扰状态：H（X）=H（X/Y）I（P）=0 4、通信系统的理论、通信系统的理论通信系统的简单构成通信系统的简单构成仙农的信息通讯模型仙农的信息通讯模型 信源信源编码编码信道信道解码解码信宿信宿消息消息信信号号消息消息信号信号噪声噪声（）信源、信宿问题（）

29、信源、信宿问题（）信道理论：（）信道理论：A、有效性（信息的数量出发）、有效性（信息的数量出发）信息传输率信息传输率=以最大通信速度传递最大的信息量。以最大通信速度传递最大的信息量。处理技术有：处理技术有：a、压缩信源、压缩信源 b、信道复用：、信道复用：时分多路通信时分多路通信 频分多路通信频分多路通信 4、通信系统的理论、通信系统的理论B、信息传输的可靠性处理、信息传输的可靠性处理质量指标质量指标信息传输的质量下降原因信息传输的质量下降原因处理技术有：处理技术有：a、均衡技术：、均衡技术：b、抗干扰技术：、抗干扰技术：内部：抑制设备内部的噪声影响；内部：抑制设备内部的噪声影响；如如“致冷致

30、冷”。外部：外部：“检错检错”。4、通信系统的理论、通信系统的理论 C、信息的保密处理（安全性处理）、信息的保密处理（安全性处理）保密处理技术保密处理技术加密和解密加密和解密“乱频法乱频法”、“乱时法乱时法”基本思路：密钥基本思路：密钥（3）编码的问题：）编码的问题：“编码问题在信息论中占据重要位置编码问题在信息论中占据重要位置”原原因：因：有效编码基本思想：有效编码基本思想：4、通信系统的理论、通信系统的理论5、系统论的方法论功能、系统论的方法论功能n（1）一般方法论功能）一般方法论功能n（2）综合思维功能）综合思维功能n（3）定量化模拟研究功能）定量化模拟研究功能n（4）实现决策和管理科学

31、化功能）实现决策和管理科学化功能（三）控（三）控 制制 论论 控制论的产生控制论的产生 维纳于维纳于1948年独自发表了控制论的奠年独自发表了控制论的奠基性著作控制论（或关于在动物和机器基性著作控制论（或关于在动物和机器中控制和通讯的科学），标志着控制论中控制和通讯的科学），标志着控制论正式诞生。正式诞生。控制论的范畴控制论的范畴n适应适应n调节调节n反馈反馈n控制控制适适 应应n严格描述：若严格描述：若M1，M2，Mk，Mn表表示系统原来所处的各种可能的状态以及它与环境示系统原来所处的各种可能的状态以及它与环境交往后所转入的状态的集合，而其中交往后所转入的状态的集合，而其中 M1，M2，Mk

32、，表示系统稳定运行所处的，表示系统稳定运行所处的各种状态集合，现在如果有某一外部作用各种状态集合，现在如果有某一外部作用C作用作用于处于状态于处于状态Mi的系统之上，而的系统之上，而C(Mi)的结果比方的结果比方说是说是M2，那么我们说系统在，那么我们说系统在C的作用后的作用后“维持了维持了生存生存”，因为，因为M2M1，M2，Mk。如果。如果系统的适应能力特别强，它总能在系统的适应能力特别强，它总能在C作用之后作用之后“维持生存维持生存”，则一定有，则一定有 C(M1)，C(M2)，C(Mm)M1，M2，Mk。调调 节节系统对外界环境变化的系统对外界环境变化的适应适应是通过是通过调节调节而而

33、达到的。而调节的职能是由调节器来承达到的。而调节的职能是由调节器来承担担 n其中其中D是指外界的干扰和影响，是指外界的干扰和影响，E是系统是系统状态的基本变量，状态的基本变量，R是调节器。是调节器。DRE反反 馈馈n如果一个系统中有二个部件如果一个系统中有二个部件P P、C C，而，而P P、C C之间有之间有持续的相互影响、相互作用的闭环关系，或者说，持续的相互影响、相互作用的闭环关系，或者说，当一个动态系统内若干个部件之间的作用有这种当一个动态系统内若干个部件之间的作用有这种闭环关系时，我们就说这个系统有反馈。如果以闭环关系时，我们就说这个系统有反馈。如果以有无反馈回路为划界标准的话，则系

34、统可以分为有无反馈回路为划界标准的话，则系统可以分为“开环系统开环系统”和和“反馈系统反馈系统”。n E对对C的影响的影响 DRE一个例子一个例子C控控 制制n系统常常表现出种种目的性行为，这种目的是通系统常常表现出种种目的性行为，这种目的是通过控制达到的，这种控制又是基于一负反馈机制过控制达到的，这种控制又是基于一负反馈机制完成的。任何一个目的性行为都具有负反馈机制完成的。任何一个目的性行为都具有负反馈机制和控制过程。和控制过程。如果一个系统要完成一个目的性行为，则它一定如果一个系统要完成一个目的性行为，则它一定有一个可供它追求的目标值，而且这个目标值是有一个可供它追求的目标值，而且这个目标

35、值是已知的，既定的。系统如果没有达到这个目标值，已知的，既定的。系统如果没有达到这个目标值，是不会停止的。因此，我们在一定意义上可以把是不会停止的。因此，我们在一定意义上可以把系统追求到目标值后的状态，看作是稳定的，这系统追求到目标值后的状态，看作是稳定的，这样我们就可以把系统的目标值看作是系统的稳定样我们就可以把系统的目标值看作是系统的稳定点。这样，我们可以用稳定性的概念把系统的控点。这样，我们可以用稳定性的概念把系统的控制表述如下：制表述如下：系统的稳定态值（目标值）系统的稳定态值（目标值）E E*是已知时，而现是已知时，而现时系统的状态时系统的状态E(t)E(t)尚未达到尚未达到E E*

36、，这时系统便通过，这时系统便通过自己的负反馈回路进行控制，使系统的状态自己的负反馈回路进行控制，使系统的状态E(t)E(t)向向E E*逼近直至最终达到逼近直至最终达到E E*为止。为止。n从稳定性的概念来看，我们可以把系统达到从稳定性的概念来看，我们可以把系统达到“目目的性行为的性行为”的控制和的控制和“稳态控制稳态控制”统一称为系统统一称为系统的的“自稳控制自稳控制”，其控制机制是通过负反馈完成，其控制机制是通过负反馈完成的。的。控制理论认为，一个系统要进行控制理论认为，一个系统要进行“自稳控制自稳控制”必必须遵循如下原理：须遵循如下原理：系统内部必须具有一种实施控制的结构，系统内部必须具

37、有一种实施控制的结构，这就是这就是“负反馈回路负反馈回路”.”.如图如图:被控对象被控对象K控制元件控制元件C执行元件执行元件测量元件测量元件X(t)Y(t)X(t)信息信息Ic(t)信息信息IY(t)输入输入 （物质、能量、信息）（物质、能量、信息）系统的状态或系统的状态或 状况输出状况输出n 这种回路一般是由测量元件、控制元件、这种回路一般是由测量元件、控制元件、执行元件和被控对象耦合而成。是耦合了系统执行元件和被控对象耦合而成。是耦合了系统的决策、输出、状态与信息的一条回路。的决策、输出、状态与信息的一条回路。n 决策是由控制器作出的，决策是以有用的决策是由控制器作出的，决策是以有用的信

38、息为基础；决策控制能影响系统的状态和输信息为基础；决策控制能影响系统的状态和输出；而系统的状态和输出又影响决策。出；而系统的状态和输出又影响决策。n决策过程一般是：根据系统的观察状态和目标决策过程一般是：根据系统的观察状态和目标值，计算出观察状态与目标值之间的偏差，然后值，计算出观察状态与目标值之间的偏差，然后根据这种偏差决定如何行动。这种控制是一种确根据这种偏差决定如何行动。这种控制是一种确定型的控制。定型的控制。n设设K的输出目标值为的输出目标值为Y0,而现在的输出是而现在的输出是Y(t)，系统通过测量元件得出系统通过测量元件得出Y(t)的信息为的信息为Iy(t)，并送，并送入入C，当，当

39、C发现发现Y(t)Y0时，则作出决策时，则作出决策IC(t)给给执行元件，并通过执行元件给执行元件，并通过执行元件给K一个一个X(t)的另的另加输入，使得加输入，使得 Y0-KX(t)+X(t)0。n这种自稳控制从它的动态行为曲线来看，可以这种自稳控制从它的动态行为曲线来看，可以呈现下图中呈现下图中A A、B B两种情况。曲线两种情况。曲线A A是典型的最简是典型的最简单的自稳控制，其中单的自稳控制，其中E(t)E(t)变量以递减的速度上升变量以递减的速度上升到目标值，其趋向目标值的变化总是开始时快，到目标值，其趋向目标值的变化总是开始时快，随着状态随着状态E(t)E(t)与与E E偏差的减小

40、而越来越慢。曲线偏差的减小而越来越慢。曲线B B 表示表示E(t)E(t)复杂地逼近复杂地逼近E E，并在，并在E E的周围波动，这是的周围波动，这是由于反馈回路中过量的时间延迟或过量的调节所由于反馈回路中过量的时间延迟或过量的调节所造成的。造成的。E*tE(t)0AB图图3-12n 信息链把系统的状态与决策控制连接起来。信息链把系统的状态与决策控制连接起来。决策仅依赖于有效信息。决策仅依赖于有效信息。n 控制元件的控制容量不能超过它作为信息通控制元件的控制容量不能超过它作为信息通道的容量。道的容量。n 在反馈回路中，信息通道的畅通和控制器的在反馈回路中，信息通道的畅通和控制器的完好对系统的控

41、制至关重要。完好对系统的控制至关重要。三、自组织理论三、自组织理论三个自组织理论：三个自组织理论：“耗散结构理论耗散结构理论”、“协同论协同论”、“超循环理论超循环理论”研究研究“复杂结构系统的平衡稳定复杂结构系统的平衡稳定”。n自组织：协同论认为：自组织：协同论认为：“如果没有外部指令，而如果没有外部指令，而是靠某种相互默契，工人们协同工作，各尽其责是靠某种相互默契，工人们协同工作，各尽其责来生产产品，把这一过程称为自组织。自组织指来生产产品，把这一过程称为自组织。自组织指令不是来自外部而是来自内部的组织子系统，因令不是来自外部而是来自内部的组织子系统，因此区别于组织。此区别于组织。n耗散结

42、构理论、协同论、超循环理论等，都从不耗散结构理论、协同论、超循环理论等，都从不同侧面揭示了自组织自发形成的原因和具体机制。同侧面揭示了自组织自发形成的原因和具体机制。1、耗散结构理论、耗散结构理论n“耗散耗散”的含义在于这种结构的产生不的含义在于这种结构的产生不是由于守恒的分子力，而是由于能量的是由于守恒的分子力，而是由于能量的耗散，系统只有耗散能量才能保持结构。耗散，系统只有耗散能量才能保持结构。这种自行产生组织的现象称为自组织现这种自行产生组织的现象称为自组织现象，而耗散结构理论也因此称为象，而耗散结构理论也因此称为系统自系统自组织理论。组织理论。n其意义正如钱学森同志所指出的：其意义正如

43、钱学森同志所指出的：n“布鲁塞尔学派的这些成就把理论生物布鲁塞尔学派的这些成就把理论生物学推进了一大步，使一般系统论的有序学推进了一大步，使一般系统论的有序结构稳定性有了严密的理论根据结构稳定性有了严密的理论根据”。1、耗散结构理论、耗散结构理论n它是从深入研究物理、化学、生物学中的自组它是从深入研究物理、化学、生物学中的自组织现象发展起来的，它的成功之处在于解决了织现象发展起来的，它的成功之处在于解决了有序现象产生的机理。指出：一个远离平衡的有序现象产生的机理。指出：一个远离平衡的开放系统，通过不断与外界交换能量和物质或开放系统，通过不断与外界交换能量和物质或信息，就可以从原来的无序状态转变

44、为一种时信息，就可以从原来的无序状态转变为一种时间、空间、或功能的有序状态。这种非平衡态间、空间、或功能的有序状态。这种非平衡态下的新的有序结构称作耗散结构。下的新的有序结构称作耗散结构。普利高律结构普利高律结构耗散耗散生命诺贝尔奖。生命诺贝尔奖。耗散结构形成需要的四个条件耗散结构形成需要的四个条件、系统是开放系统、系统是开放系统生命、物质从低级向高级物质转化、肯定存生命、物质从低级向高级物质转化、肯定存在一种机制使自然界从无序在一种机制使自然界从无序有序。开放系有序。开放系统才能通过耗散补进负熵流，以抵消内部的统才能通过耗散补进负熵流，以抵消内部的熵产生，从而形成有序结构。熵产生，从而形成有

45、序结构。、系统应是一个远离平衡的系统、系统应是一个远离平衡的系统、普利高律认为：只有在系统的各个之间存、普利高律认为：只有在系统的各个之间存在着一种非线性的相互作用，系统才能形成在着一种非线性的相互作用，系统才能形成耗散结构。耗散结构。、系统的无序走向有序的演化是通过随机的、系统的无序走向有序的演化是通过随机的涨落来实现的涨落来实现的如熵增。如熵增。2、协同论、协同论H哈肯协同学导论、高级协同学哈肯协同学导论、高级协同学以信息论、控制论、突变论等一些现代科学以信息论、控制论、突变论等一些现代科学理论的新成果为基础，并吸取了耗散结构论的成理论的新成果为基础，并吸取了耗散结构论的成功之处。进一步揭

46、示了各种系统从无序到有序以功之处。进一步揭示了各种系统从无序到有序以及相反的转变规律。认为：一个系统从无序向有及相反的转变规律。认为：一个系统从无序向有序转化的关键并不在于热力学平衡还是不平衡，序转化的关键并不在于热力学平衡还是不平衡，也不在于离开平衡多远，而在于，只要是一个由也不在于离开平衡多远，而在于，只要是一个由大量子系统构成的系统，在一定条件下，它的子大量子系统构成的系统，在一定条件下，它的子系统之间通过非线性的相互作用就能产生协同现系统之间通过非线性的相互作用就能产生协同现象和相干效应。象和相干效应。耗散结构理论认为，非平衡是有序之源。哈肯通过许多实耗散结构理论认为，非平衡是有序之源

47、。哈肯通过许多实验发现不仅非平衡态可从无序到有序，而且平衡态在一定的验发现不仅非平衡态可从无序到有序，而且平衡态在一定的条件下，也可从无序到有序。条件下，也可从无序到有序。例一：装有水蒸汽的箱子，如图，在高温下，它的分子互例一：装有水蒸汽的箱子，如图，在高温下，它的分子互不相关地自由运动，处于无序状态。当温度降低时，它形成不相关地自由运动，处于无序状态。当温度降低时，它形成液滴，分子之间保持一个平均距离，有序程度提高，最后，液滴，分子之间保持一个平均距离，有序程度提高，最后，在更低的温度，即凝固点处，水结成冰，分子完全以固定的在更低的温度，即凝固点处，水结成冰，分子完全以固定的秩序排列，有序程

48、度很高。以上三种情况，箱内各处温度是秩序排列，有序程度很高。以上三种情况，箱内各处温度是均匀的，因而是一种平衡态。均匀的，因而是一种平衡态。2、协同论、协同论例二：铁磁体，例如罗盘的磁针，当被加热时，它会突然失例二：铁磁体，例如罗盘的磁针，当被加热时，它会突然失去磁性。当温度降低时，它又重新恢复磁性。从微观的原子去磁性。当温度降低时，它又重新恢复磁性。从微观的原子层次看，磁体是由许多（原子的层次看，磁体是由许多（原子的)元磁体（称为自旋体）组成元磁体（称为自旋体）组成的。在高温情况下，元磁体的指向无规则，如图，当把它们的。在高温情况下，元磁体的指向无规则，如图，当把它们的元磁矩加起来时，会互相

49、抵消，并不形成宏观磁矩。在临的元磁矩加起来时，会互相抵消，并不形成宏观磁矩。在临界温度到了界温度到了Tc以下，元磁体排列成行，产生了宏观磁矩。可以下，元磁体排列成行，产生了宏观磁矩。可见微观层次的有序是物质在宏观层次出现新特征的原因。见微观层次的有序是物质在宏观层次出现新特征的原因。例三：超导体，即某些金属和合金，在一定的温度以下，电阻例三：超导体，即某些金属和合金，在一定的温度以下，电阻会突然地完全消失，如图。这种现象是由金属电子的某种有序会突然地完全消失，如图。这种现象是由金属电子的某种有序排列引起的。排列引起的。根据以上事例，哈肯认为，系统从无序到有序并根据以上事例，哈肯认为，系统从无序

50、到有序并不在于是平衡态还是非平衡态，这是系统的固有属性决定的。不在于是平衡态还是非平衡态，这是系统的固有属性决定的。那么这个固有属性是什么呢那么这个固有属性是什么呢?就是系统内各个子系统的协同，协就是系统内各个子系统的协同，协同导致有序。同导致有序。3、超循环理论、超循环理论“鸡生蛋，蛋生鸡鸡生蛋，蛋生鸡”，生物在生生不，生物在生生不息的循环过程中繁衍进化。循环是自然息的循环过程中繁衍进化。循环是自然界中普遍存在的现象。德国生物学家艾界中普遍存在的现象。德国生物学家艾根侧重考察了生物化学中的各种循环现根侧重考察了生物化学中的各种循环现象，建立超循环理论。其中心思想是要象，建立超循环理论。其中心