大系統(tǒng)分析講義

肇大系統(tǒng)分析講義莂第9章大系統(tǒng)分析芀本章研究大系統(tǒng)分析的任務(wù)，大系統(tǒng)分析的內(nèi)容，大系統(tǒng)分析的特點(diǎn)，大系統(tǒng)分析的方法。羈9.1大系統(tǒng)分析的任務(wù)肈大系統(tǒng)分析的任務(wù)在于對(duì)已有的大系統(tǒng)進(jìn)行定性、定量，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)，結(jié)構(gòu)、功能，宏觀、微觀的分析；對(duì)大系統(tǒng)的歷史、現(xiàn)狀和未來(lái)進(jìn)行回顧、評(píng)估和預(yù)測(cè)，為改進(jìn)大系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高運(yùn)行效率，更新結(jié)構(gòu)與擴(kuò)展功能， 提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)現(xiàn)途徑。其任務(wù)可分為方面：螅歷史回顧蠆歷史回顧是對(duì)大系統(tǒng)已有的運(yùn)行歷史進(jìn)行回顧與總結(jié)，根據(jù)大系統(tǒng)的達(dá)行歷史紀(jì)錄和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和歸納，總結(jié)出有關(guān)的定性、定量，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的規(guī)律或關(guān)系及結(jié)構(gòu)、功能，宏觀、微觀的特性或機(jī)理，為建立大系統(tǒng)的廣義模型，進(jìn)行廣義模型的驗(yàn)證和擬合，提供客觀依據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)，例如，建立回歸模型。蚈歷史和現(xiàn)狀往往有驚人的相似性，特別是對(duì)于平穩(wěn)的大系統(tǒng)，即使是非平穩(wěn)的大系統(tǒng)，在一定的歷史時(shí)期內(nèi)，也可能是近似平穩(wěn)的，或者在某些基本特性和規(guī)律方面是相對(duì)平穩(wěn)的。因此，對(duì)大系統(tǒng)的歷史進(jìn)行分析，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，所謂“溫故知新”，例如，避免歷史上的錯(cuò)誤在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下重演。袆現(xiàn)狀評(píng)估袃現(xiàn)狀評(píng)估對(duì)大系統(tǒng)的現(xiàn)有運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)與估算，包括技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、社會(huì)效益、生態(tài)影響等各方面。首先利用歷史回顧結(jié)果和數(shù)據(jù)，建立大系統(tǒng)的廣義模型；然后，利用所建立的廣義模型， 進(jìn)行大系統(tǒng)的現(xiàn)狀評(píng)估； 最后采用不同的粒度， 進(jìn)行宏觀或微觀的分析，揭示大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或功能方面存在的問(wèn)題或缺陷，提出改進(jìn)的建議和方法。例如， 由于集中控制結(jié)構(gòu)而存在的大系統(tǒng)可靠性下降、風(fēng)險(xiǎn)性集中的問(wèn)題；由于分散控制結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大系統(tǒng)能控性削弱、協(xié)調(diào)性困難的問(wèn)題。莃在大系統(tǒng)現(xiàn)狀評(píng)估過(guò)程中，一方面，是在系統(tǒng)“平穩(wěn)性”假設(shè)前提下，應(yīng)用基于歷史回顧所建立的廣義模型，進(jìn)行系統(tǒng)現(xiàn)狀分析。如果分析結(jié)論與現(xiàn)實(shí)狀態(tài)相吻合，說(shuō)明“平穩(wěn)性”假設(shè)是可行的，那么，歷史上行之有效的、成功的控制策略仍可在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中應(yīng)用，否則，說(shuō)明系統(tǒng)“平穩(wěn)性”假設(shè)有問(wèn)題，可能是現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有了非平穩(wěn)的變化。另一方面，要根據(jù)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性和環(huán)境條件，對(duì)廣義模型進(jìn)行必要的校正，注意現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與歷史系統(tǒng)的差異，避免生搬硬套歷史上的公式或教條，放棄已陳舊的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，采取適用于非平穩(wěn)的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的控制和管理方式。所謂“推陳出新” 、“破舊立新”。葿未來(lái)預(yù)測(cè)羇未來(lái)預(yù)測(cè)是利用基于現(xiàn)狀分析結(jié)果和數(shù)據(jù)所建文的或校正過(guò)的廣義模型，對(duì)大系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)、、通過(guò)系統(tǒng)仿真，檢驗(yàn)現(xiàn)行控制策略的米來(lái)效果，為制訂大系統(tǒng)的控制決策、改革方案與發(fā)展規(guī)劃，提供定性和定量的科學(xué)依據(jù)。芆類似地，在未來(lái)預(yù)測(cè)中，也需要假設(shè)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與未來(lái)系統(tǒng)是相對(duì)“平穩(wěn)”的，才能采用基于現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的模型對(duì)未來(lái)系統(tǒng)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。螂預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度，一方面取決于預(yù)測(cè)模型是否反映了系統(tǒng)的基本客觀規(guī)律，另一方面，也取決于系統(tǒng)及其環(huán)境條件的平穩(wěn)性。如果預(yù)測(cè)模型把握了基本規(guī)律，且在預(yù)測(cè)時(shí)間段內(nèi)“平穩(wěn)性”假設(shè)成立，那么，預(yù)測(cè)結(jié)果可信度高。腿如上所述，基于廣義模型的大系統(tǒng)分析過(guò)程如圖 9-1所示。螄莄圖9-1 大系統(tǒng)分析的任務(wù)節(jié)在圖9-1中，大系統(tǒng)分析的全過(guò)程由3個(gè)子過(guò)程組成：歷史回顧、現(xiàn)狀評(píng)估、未來(lái)預(yù)測(cè)，依次相應(yīng)地采用下列廣義模型。羀1.回顧模型螆回顧模型是根據(jù)歷史事實(shí)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立的，用于進(jìn)行大系統(tǒng)歷史回顧分析的廣義模型。蒂2.評(píng)估模型蟻評(píng)估模型利用現(xiàn)狀事實(shí)和數(shù)據(jù)，對(duì)回顧模型進(jìn)行擬合和校正后，所建立的評(píng)估模型，用于進(jìn)行大系統(tǒng)現(xiàn)狀評(píng)估。蝕3.預(yù)測(cè)模型袇預(yù)測(cè)模型用于進(jìn)行大系統(tǒng)未來(lái)預(yù)測(cè)的廣義模型，由評(píng)估模型經(jīng)時(shí)間外延可得預(yù)測(cè)模型，外延時(shí)間應(yīng)滿足系統(tǒng)平穩(wěn)性假設(shè)。裊因此，大系統(tǒng)分析的過(guò)程，既是廣義模型的應(yīng)用過(guò)程，也是廣義模型的建立、校正與修改的過(guò)程。肀9.2大系統(tǒng)分析的內(nèi)容莀由于大系統(tǒng)涉及到工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生物生態(tài)等各個(gè)領(lǐng)域，因此，大系統(tǒng)分析的內(nèi)容是廣泛的、豐富的。蚄我們可以將大系統(tǒng)分析的內(nèi)容歸納為以下系統(tǒng)為實(shí)際背景加以說(shuō)明。

4個(gè)方面，并以大型工業(yè)企業(yè)的控制與管理羃技術(shù)性能薀從控制論觀點(diǎn)看來(lái)，各種有組織的系統(tǒng)，都存在著控制與通信過(guò)程，因而，也都是廣義的控制系統(tǒng)或信息系統(tǒng)。例如，一個(gè)大型工業(yè)企業(yè)就是一個(gè)典型的大型控制系統(tǒng)或大型信息系統(tǒng)。膁在大系統(tǒng)控制論中，主要研究大系統(tǒng)的控制和信息過(guò)程，因此，在大系統(tǒng)分析中，關(guān)于技術(shù)性能方面的分析內(nèi)容，主要是涉及大系統(tǒng)的控制性能，以及相應(yīng)的信息傳遞、變換、處理過(guò)程的性能。蚆(1)能通性。指信息結(jié)構(gòu)的能通性，這是控制系統(tǒng)信息通道結(jié)構(gòu)的基本特性，包括；控制信息結(jié)構(gòu)能通性、觀測(cè)信息結(jié)構(gòu)能通性、輸出信息結(jié)構(gòu)能通性等，能通性是系統(tǒng)能觀性、能觀性、能協(xié)調(diào)性的前提條件。蒞(2}能控性?；蚍Q“可控性”，指控制目的與控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)的可能性，包括：狀態(tài)能控性、輸出能控性等。能控性反映了控制機(jī)構(gòu)與被控制對(duì)象相匹配的結(jié)構(gòu)和參數(shù)特性，及能否利用輸入控制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)或輸出實(shí)現(xiàn)控制的可能性。膃(3)能觀性?；蚍Q“可觀性”、“可觀測(cè)性”，指通過(guò)輸出對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)的可能性，反映了觀測(cè)裝置與被控制對(duì)象相然配的結(jié)構(gòu)和參數(shù)特性，及能否利用輸出信號(hào)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行直接或間接的觀測(cè)的可能性。蚇(4)能協(xié)調(diào)性。或稱“可協(xié)調(diào)性”，指大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)(小系統(tǒng))相互協(xié)調(diào)配合，以完成大系統(tǒng)控制任務(wù)的可能性，包括：任務(wù)協(xié)調(diào)、資源協(xié)調(diào)等。大系統(tǒng)的能協(xié)調(diào)性反映了各子系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)特性，且與各子系統(tǒng)的能控性、能觀性有關(guān)，協(xié)調(diào)是大系統(tǒng)控制.f理與決策的關(guān)鍵問(wèn)題。螇(5)穩(wěn)定性。包括平衡態(tài)穩(wěn)定性，指系統(tǒng)受到擾動(dòng)而偏離其平衡態(tài)，當(dāng)擾動(dòng)消失后，系統(tǒng)恢復(fù)平衡態(tài)的性能；輸人輸出穩(wěn)定性，指系統(tǒng)在有界輸入下，保持輸出有界的性能。在大系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中，“大一小”系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)系問(wèn)題，即，“組合穩(wěn)定性”，具有重要意義。蒄(6)可靠性。指系統(tǒng)在給定環(huán)境條件下、給定時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生故障，保持正常系統(tǒng)功能的可能性。通常，以故障概率大小及分布來(lái)描述系統(tǒng)可靠性， 分析系統(tǒng)的可靠度、 可用度及有效度。在大系統(tǒng)可靠性分析中， “大一小”系統(tǒng)可靠性關(guān)系問(wèn)題，即， “組合可靠性”，具有重要意義。螞(7)快速性。指系統(tǒng)達(dá)到給定控制目標(biāo)所需控制過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短。 它與系統(tǒng)的慣性和時(shí)延有關(guān)，對(duì)于大系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制過(guò)程的快速性不僅取決于相互關(guān)聯(lián)的慣性和時(shí)延， 也與各子系統(tǒng)的慣性和時(shí)延有關(guān)。在大系統(tǒng)中，可能存在“快慢分離”現(xiàn)象，各子系統(tǒng)、各局部控制過(guò)程的快速性相差懸殊，可能增加協(xié)調(diào)困難，但可用于簡(jiǎn)化模型和系統(tǒng)分析。 “協(xié)調(diào)快速性”分析具有重要意義〕莇(8)準(zhǔn)確性。指系統(tǒng)偏離給定控制目標(biāo)的誤差大小，包括：穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度，指系統(tǒng)的平穩(wěn)狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)誤差大?。粍?dòng)態(tài)準(zhǔn)確度，指系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程與目標(biāo)過(guò)程的動(dòng)態(tài)誤差大小。準(zhǔn)確度不僅取決于系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而且與環(huán)境條件、 干擾噪音有關(guān)。 在大系統(tǒng)分析中，可采用變粒度模型，對(duì)大系統(tǒng)的全局控制和各子系統(tǒng)的局部控制， 具有不同的粒度、不同的準(zhǔn)確度要求?！皡f(xié)調(diào)準(zhǔn)確度”分析具有重要意義。薅(9)魯棒性。即健壯和強(qiáng)壯的意思，用來(lái)表示當(dāng)一個(gè)控制系統(tǒng)中的參數(shù)發(fā)生攝動(dòng)時(shí)系統(tǒng)能否保持正常工作的一種特性或?qū)傩裕拖袢嗽谑艿酵饨绮【母腥竞?，是否能夠通過(guò)自身的免疫系統(tǒng)恢復(fù)健康一樣，隨著人們對(duì)于控制效果要求的不斷提高，系統(tǒng)的魯棒性會(huì)越來(lái)越多地被人們所重視。薂經(jīng)濟(jì)指標(biāo)肂經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析可分為兩方面：肈(1)經(jīng)濟(jì)代價(jià)，或經(jīng)濟(jì)投人。如設(shè)備投資、運(yùn)行費(fèi)用、維修費(fèi)用、基建投資等。其中運(yùn)行費(fèi)用包括：原料消耗、能源消耗、勞力費(fèi)用等。蚆(2)經(jīng)濟(jì)收益，或經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出。如在工業(yè)企業(yè)中的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高，勞力減少、原料節(jié)約、能源節(jié)約、效率提高等方面獲得的經(jīng)濟(jì)效益。羄由于大系統(tǒng)往往國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重大影響，因此，大系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析具有重要意義。蒁 例如，大型冶金企業(yè)、化工企業(yè)、機(jī)械制造企業(yè)、電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)等，其投資巨大，若運(yùn)行狀態(tài)好，其經(jīng)濟(jì)效益顯著；否則，其經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。袈 但是，在現(xiàn)有的控制理論或大系統(tǒng)理論中， 對(duì)控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題缺乏應(yīng)有的研究。應(yīng)當(dāng)指出，從控制論觀點(diǎn)研究大系統(tǒng)控制過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)新問(wèn)題， 它不同于一般的工業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)可行性分析，而是著眼于控制過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性，包括為實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)控制過(guò)程而付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，如控制設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用，以及由于控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)而獲取的經(jīng)濟(jì)效益，如產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高帶來(lái)的收益。蚇通常，在大型工業(yè)企業(yè)中，控制設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用，只占生產(chǎn)設(shè)備總投資和運(yùn)行費(fèi)用的較少的部分，而由于實(shí)現(xiàn)有效的控制、管理和決策，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益卻是十分巨大的，其中包括直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益。一般情況下，過(guò)程控制可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益，而企業(yè)管理產(chǎn)生間接或直接經(jīng)濟(jì)效益。肅社會(huì)效果羈 各種大系統(tǒng)的達(dá)行狀態(tài)對(duì)社會(huì)有重大影響， 可能產(chǎn)生正的效果， 也可能產(chǎn)生負(fù)的效果。蕿(1)安定性。社會(huì)生活的安定性，意味著沒(méi)有戰(zhàn)爭(zhēng)、沖突、攀力，刑事犯罪率低，疾病傳染率低，事故死亡率低等。社會(huì)安定性與各種大系統(tǒng)有關(guān)，如f家行政管理系統(tǒng)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)、公共服務(wù)系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、醫(yī)療保健系統(tǒng)等。蒅即使是一個(gè)大型工業(yè)企業(yè)，它對(duì)社會(huì)安定性也有影響。例如，由于企業(yè)的自動(dòng)化程度提高，可能使勞動(dòng)密集型的企業(yè)減少就業(yè)人員，或者，由于企業(yè)經(jīng)營(yíng)不力，導(dǎo)致職工生活水平下降或惡化，可能引起社會(huì)的刑事犯罪率土升，破壞社會(huì)安定性。蒅因此，在我國(guó)人口眾多，勞動(dòng)力密集的情況下，對(duì)于工業(yè)企業(yè)的技術(shù)改造與技術(shù)革新，我們認(rèn)為應(yīng)當(dāng)采取“靈活自動(dòng)化”的適用技術(shù)方針，研究大系統(tǒng)靈活自動(dòng)化的方法和技術(shù)；采用適合于國(guó)情的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，使大系統(tǒng)中人與機(jī)器相互協(xié)調(diào)，合理分工.，從而使控制技術(shù)革新產(chǎn)生良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合效益。莀(2)有序性。社會(huì)的有序性是指社會(huì)中人們活動(dòng)的有序化程度，它是社會(huì)的組織化程度的反映。若社會(huì)的組織化程度高，則人們活動(dòng)的有序性高，社會(huì)秩序的紊亂程度低；反之，若社會(huì)的組織化程度低，則人們活動(dòng)的有序性低，社會(huì)秩序的紊亂程度高。荿社會(huì)的有序性要適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和人民生活的需要，有序性太低，社會(huì)處于無(wú)組織的紊亂狀態(tài)，不利于社會(huì)發(fā)展和人民生活的安定； 有序性過(guò)高，社會(huì)處于高度組織化的機(jī)械狀態(tài)，不利于造就生動(dòng)活潑的社會(huì)環(huán)境與豐富多彩的人民生活。因此，需要研究最適宜的有序化程度，即“最佳有序度”間題，薆社會(huì)是包含有各種大系統(tǒng)的“巨系統(tǒng)” ，或稱“特大系統(tǒng)”，除了有序化程度—“有序度”之外，還需要研究其有序化模式—“有序?！?，相應(yīng)于社會(huì)的組織化模式。如集中組織模式、分散組織模式，“集中一分散”相結(jié)合的“遞階組織”模式，以及集中、分散、遞階種基本組織模式的各種組合、變型和進(jìn)化的復(fù)雜組織模式。類似地，這里需要研究最適宜的有序化模式，或“最佳有序?！眴?wèn)題。薄生態(tài)影響肅工程技術(shù)大系統(tǒng)對(duì)生態(tài)環(huán)境可能有重要影響。聿(1)生態(tài)平衡。大型工程建設(shè)項(xiàng)日對(duì)所在地區(qū)的生態(tài)平衡可能造成重大影響。例如，大型水電站建設(shè)將在攔河壩上游造成人工湖泊，改變了所在地然的生態(tài)環(huán)境，而影響原有的生態(tài)平衡狀態(tài)。薈(2)環(huán)境污染。大型工業(yè)企業(yè)排放的廢氣、廢水、廢料，如不加處理，可能對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，惡化所在地仄的空氣和水質(zhì)。需要分析污染的原因和程度，研究污染控制與環(huán)境保護(hù)的方法和措施。螞如上所述，大系統(tǒng)分析的基本內(nèi)容如圖 9-2所示。蒃袀圖9-2大系統(tǒng)分析的內(nèi)容蒞9.3大系統(tǒng)分析的特點(diǎn)肄“大~小”系統(tǒng)關(guān)系問(wèn)題袂由于實(shí)際的大系統(tǒng)往往由許多小系統(tǒng) (子系統(tǒng))通過(guò)相互關(guān)聯(lián)而組成，或者，大系統(tǒng)在組織上可以分解為若干小系統(tǒng) (子系統(tǒng))。例如，一個(gè)大型工業(yè)企業(yè)可能包括若干工廠、 分廠，因此，在大系統(tǒng)分析中，特點(diǎn)之一是關(guān)于“大~小”系統(tǒng)關(guān)系問(wèn)題的分析，如：“大~小”系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)系問(wèn)題。薀若各小系統(tǒng)穩(wěn)定，其相互關(guān)聯(lián)應(yīng)滿足什么條件才能便所組成的大系統(tǒng)也是穩(wěn)定的 ?若有不穩(wěn)定的小系統(tǒng)， 能否組成穩(wěn)定的大系統(tǒng) ?其相互關(guān)聯(lián)應(yīng)滿足什么條件 ?若大系統(tǒng)穩(wěn)定，其中各小系統(tǒng)是否都穩(wěn)定 ?相互關(guān)系條件如何 ?若大系統(tǒng)不穩(wěn)定，是否其中各小系統(tǒng)都不穩(wěn)定 ?相互關(guān)系條件如何 ?蒆通過(guò)“大~小”系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)系的分析，可以從穩(wěn)定性方面提出對(duì)相互關(guān)聯(lián)的要求，尋求保證大系統(tǒng)穩(wěn)定的條件，改善大系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法和途徑。膃例如，對(duì)于線性多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，可以證明：當(dāng)協(xié)調(diào)關(guān)系為同步關(guān)系或比例協(xié)調(diào)關(guān)系，且各小系統(tǒng)的特性滿足對(duì)稱性條件時(shí)，若各小系統(tǒng)穩(wěn)定，則所組成的協(xié)調(diào)拉制大系統(tǒng)也是穩(wěn)定的。莁類似地，還可以分析“大準(zhǔn)確性及魯棒性的關(guān)系問(wèn)題。

~小”系統(tǒng)的可靠性、能控性、能觀性、能通性、快速性、莀此外，在大系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、社會(huì)效果、生態(tài)影響的分析中，也存在類似的“大系統(tǒng)關(guān)系問(wèn)題?！按髜小”系統(tǒng)關(guān)系分析包括定性關(guān)系、定量關(guān)系，靜態(tài)關(guān)系、動(dòng)態(tài)關(guān)系的分析。

~小”蒈知識(shí)不完備薅大系統(tǒng)通常是數(shù)據(jù)不精確、信息不充分、知識(shí)不完備的復(fù)雜系統(tǒng)，這種特點(diǎn)給系統(tǒng)分析造成很大困難。知識(shí)不完備有以下幾個(gè)方面的因素：螁1.不確知系統(tǒng)肁由于大系統(tǒng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、因素眾多，因此，全面地、精確地描述大系統(tǒng)的特性和狀態(tài)所需的信息量太大。這樣，在信息獲取、傳遞、變換、處理的技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上、時(shí)間上都存在一系列困難，受到各種環(huán)境條件的約束和限制。因此，往往難以獲得充分的信息、精確的數(shù)據(jù)和完備的知識(shí)。大系統(tǒng)通常是“不確知”的系統(tǒng)。芅2.不確定因素蚃大系統(tǒng)其有許多不確定因素，主觀方而有來(lái)自人的認(rèn)識(shí)、思維、語(yǔ)言的模糊性，客觀方面有事物變化、產(chǎn)生、消失的隨機(jī)性等。因此，人們關(guān)于大系統(tǒng)的知識(shí)也含有許多不確定因素，是不完備的。膀3.發(fā)展中系統(tǒng)薇各種系統(tǒng)都處在發(fā)展變化之中，如果系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)或參數(shù)的變化速率與系統(tǒng)對(duì)外界輸入的輸出響應(yīng)速率可以比擬，則稱之為“發(fā)展中系統(tǒng)” 。例如，一個(gè)大型工業(yè)企業(yè)的管理體制改革比較頻繁，在一項(xiàng)生產(chǎn)計(jì)劃制訂和實(shí)施的過(guò)程中，管理體制已經(jīng)發(fā)生了變化。這樣，將給系統(tǒng)分析帶來(lái)困難?！鞍l(fā)展中系統(tǒng)”是變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)系統(tǒng)。需要采用變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)模型機(jī)型描述和分析，而伏案與大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的變化規(guī)律的知識(shí)，也是不完備的。莆“多級(jí)、多層、多段”結(jié)構(gòu)特性螂雖然實(shí)際大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但是，關(guān)于結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明，大系統(tǒng)具有3種基本的控制結(jié)構(gòu)：“集中控制”結(jié)構(gòu)、“分散控制”結(jié)構(gòu)、“遞階控制”結(jié)構(gòu)。其中，“遞階控制”結(jié)構(gòu)是“集中一分散”相結(jié)合的普遍采用的先進(jìn)的控制結(jié)構(gòu)。薀各種大系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)可視為上述3種基本結(jié)構(gòu)的組合、變型和進(jìn)化。我們可歸納出大系統(tǒng)的3種典型結(jié)構(gòu)：多級(jí)控制結(jié)構(gòu)、多層控制結(jié)構(gòu)、多段控制結(jié)構(gòu)。羋在大系統(tǒng)分析中，應(yīng)當(dāng)考慮上述大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，建立相適應(yīng)的模型，根據(jù)大系統(tǒng)中不同級(jí)別、層次、階段的實(shí)際需求，選取適當(dāng)?shù)牧６?、合理的精度進(jìn)行系統(tǒng)分析。如上所述，大系統(tǒng)分析的特點(diǎn)如圖9-3所示。蒈膄圖9-3大系統(tǒng)分析的特點(diǎn)芃9.4大系統(tǒng)分析的方法肈根據(jù)大系統(tǒng)分析的上述特點(diǎn)，我們建議采取下列相應(yīng)的分析方法。芅“分解-集結(jié)”分析法芃所謂“分解-集結(jié)”方法是分兩步對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行分析。螂1.分解——“化整為零”螈將復(fù)雜大系統(tǒng)分解為簡(jiǎn)單的小系統(tǒng)，分別對(duì)各小系統(tǒng)進(jìn)行局部分析，求取局部解，可以并行處理，以提高分析速度和效率。芇這里的“分解”，可以是將實(shí)際大系統(tǒng)在組織上、物理上分解為若干小系統(tǒng)，也可以是將大系統(tǒng)的模型進(jìn)行邏輯上、數(shù)學(xué)上的分解。蚅關(guān)于“分解”的方法，有如下幾種思路：膂(1)“解除”關(guān)聯(lián)。假設(shè)各小系統(tǒng)之間不存在相互關(guān)聯(lián)，或者說(shuō)，將相互關(guān)聯(lián)“解除” ，令大系統(tǒng)模型中的關(guān)聯(lián)項(xiàng)為零，在各小系統(tǒng)分析中不予考慮。蕿(2)等效關(guān)聯(lián)。將各小系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)用“等效”的附加輸出和輸人代替，在各小系統(tǒng)分析中考慮附加輸人的等效作用。莈(3)估計(jì)關(guān)聯(lián)。對(duì)關(guān)聯(lián)的影響進(jìn)行估計(jì)，在小系統(tǒng)分析時(shí)，用估計(jì)值考慮關(guān)聯(lián)作用。螃2.集結(jié)——“合零為整”薁將各小系統(tǒng)分析所得的局部解集結(jié)起來(lái)，考慮相互關(guān)聯(lián)，求取大系統(tǒng)的全局解。艿這里的“集結(jié)”，并不是將各小系統(tǒng)的局部解簡(jiǎn)單相加，而是在各小系統(tǒng)局部解的基礎(chǔ)上，考慮關(guān)聯(lián)作用，求取大系統(tǒng)的全局解。膅“集結(jié)”方法要與“分解”方法相適應(yīng)：肆(1)“恢復(fù)"關(guān)聯(lián)。在“集結(jié)”時(shí)，將“分解"時(shí)所解除的關(guān)聯(lián)加以恢復(fù)，以考慮關(guān)聯(lián)的作用。羀(2)關(guān)聯(lián)平衡。在“集結(jié)”時(shí)，將“分解”時(shí)所采用的等效輸人、輸出與實(shí)際關(guān)聯(lián)進(jìn)行平衡。罿(3)估值校正。在“集結(jié)”時(shí)，對(duì)“分解”時(shí)所選取的關(guān)聯(lián)估值進(jìn)行校正，以符合實(shí)際關(guān)聯(lián)值。膇例如，采用“分解

-集結(jié)”方法進(jìn)行大系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，分兩步研究“大

~小”系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)系：芄(l)先解除關(guān)聯(lián)，分別求各小系統(tǒng)穩(wěn)定條件；蒀(2)恢復(fù)關(guān)聯(lián)，求關(guān)聯(lián)應(yīng)滿足的穩(wěn)定條件，與各小系統(tǒng)穩(wěn)定條件“集結(jié)” ，可得大系統(tǒng)穩(wěn)定條件。螀“定性-定量”分析法羋在大系統(tǒng)分析中，建議采用“定性 -定量”相結(jié)合的方法。莂(1)“啟發(fā)-算法”方法。例如：知識(shí)推理與數(shù)學(xué)運(yùn)算相結(jié)合的方法，一方面，根據(jù)關(guān)于系統(tǒng)的啟發(fā)性知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)行狀態(tài)的事實(shí)和規(guī)律，建立知識(shí)模型，進(jìn)行定性分析；另一方而，利用有關(guān)系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)、特性參數(shù)等數(shù)值信息，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行定量分析，并且，兩者相互配合，相輔相成。通常，先進(jìn)行定性分析，以策劃定量分析；再由定量分析檢驗(yàn)定性分析，由定性分析判斷定量分析，相互校正，逐步深化。膃(2)“圖示-賦值”方法。例如：賦值或加權(quán)的有向圖、無(wú)向圖，樹(shù)圖、網(wǎng)絡(luò)圖，及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法。利用圖示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性、因果關(guān)系、邏輯關(guān)系、時(shí)序關(guān)系等，以便進(jìn)行定性分析；利用圖的賦值或加權(quán)表示系統(tǒng)的參數(shù)特性、數(shù)量關(guān)系、聯(lián)系強(qiáng)度、作用大小等，進(jìn)行定量分析。蒀采用“定性-定量”相結(jié)合的方法進(jìn)行大系統(tǒng)分析，有兩方而的原因。肅(l)現(xiàn)實(shí)可行性。由于大系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確知性和不確定性，缺乏精確的數(shù)據(jù)、充分的知識(shí)、完備的信息，所以單純依靠數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精確的定量分析是不現(xiàn)實(shí)的。事實(shí)上，至今有許多復(fù)雜因素還缺乏適用的數(shù)學(xué)描述方法，如：社會(huì)心理因素、人們的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)等。所以，現(xiàn)實(shí)可行的方法是利用數(shù)學(xué)模型與知識(shí)模型集成的廣義模型，進(jìn)行定量與定性結(jié)合的分析。蚅(2)實(shí)際需求性。實(shí)際上，為了大系統(tǒng)控制、管理、決策的需求而進(jìn)行的系統(tǒng)分析，不僅需要把握大系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)展變化的定性規(guī)律和特性，而且需要了解相應(yīng)的定量關(guān)系和數(shù)據(jù)。例如，關(guān)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的分析，有基于“政治經(jīng)濟(jì)學(xué)”的定性分析，也有基于“計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)”的定量分析，存在著爭(zhēng)論和分歧。我們認(rèn)為：兩者應(yīng)當(dāng)相互交流取長(zhǎng)補(bǔ)短，才能進(jìn)行定性與定量結(jié)合的全而分析。薃“黑箱-白箱”分析法芁“黑箱-白箱”分析法即“黑箱”方法與“白箱”相法相結(jié)合的分析方法，或稱“灰箱” 。方法。肇“黑箱”方法采用“外模型”，如：傳遞函數(shù)、傳遞算子模型等，對(duì)系統(tǒng)的外部功能進(jìn)行分析，如：輸入廣輸出響應(yīng)特性。袃“白箱”方法采用“內(nèi)模型”，如：狀態(tài)方程、狀態(tài)空間模型等，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行分析，如狀態(tài)能控性、能觀性。羂“黑箱-白箱”方法采用“外模型-內(nèi)模型”相結(jié)合的廣義模型，如：多層狀態(tài)空間、多重廣義算子模型等，對(duì)系統(tǒng)的外部功能、內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行全面分析。蚇應(yīng)用“黑箱-白箱”方法，可根據(jù)大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，建立適用的廣義模型。例如，對(duì)多級(jí)結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)的大系統(tǒng)，可建立多級(jí)、多層狀態(tài)空間模型；對(duì)于多段結(jié)構(gòu)大系統(tǒng)，可建立各段廣義算子模型，以便對(duì)整個(gè)大系統(tǒng)以及其中各小系統(tǒng)的功能和狀態(tài)，進(jìn)行“外部-內(nèi)部”、“宏觀-微觀”相結(jié)合的分析。膈“主動(dòng)”分析法膆通常，在控制理論或大系統(tǒng)理論中，系統(tǒng)分析是以被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的。根據(jù)被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)控制器，構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)而建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性分析。 這里，系統(tǒng)分析依賴于被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模到， 如果缺乏適用的被控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型，那么，控制系統(tǒng)分析就無(wú)法進(jìn)行，處于被動(dòng)局面，我們稱這種系統(tǒng)分析方法為“被動(dòng)”分析法。莁這里，所謂“主動(dòng)”分析法，是采用“控制者”的模型(如，專家系統(tǒng)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等)依靠控制專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法，以及關(guān)于被控制對(duì)象特性和環(huán)境條件的感性和理性知識(shí)，建立控制者的廣義模型，利用控制者模型進(jìn)行主動(dòng)的系統(tǒng)分析。蕆例如，利用經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的大型、多學(xué)科、綜合型專家系統(tǒng)，對(duì)經(jīng)濟(jì)大系統(tǒng)的控制、管理和決策，進(jìn)行咨詢、預(yù)測(cè)和決策分析。這里，專家系統(tǒng)為“智囊團(tuán)”——控制者的模型。羅“變粒度”分析法芄根據(jù)大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，建議采取“變粒度”方法對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行分析，以便適應(yīng)不同級(jí)別、不同層次、不同階段對(duì)系統(tǒng)分析的粒度和精度的需求，并以有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)分析與信息采集工作，進(jìn)行并行處理，提高分析效率袁所謂“變粒度”分析方法，就是根據(jù)大系統(tǒng)的多級(jí)、多層、多段結(jié)構(gòu)特性，對(duì)不同的級(jí)別、層次、階段，選取相適應(yīng)的精度和粒度，建立大系統(tǒng)的“變粒度”廣義模型。利用“變粒度”模型，分別對(duì)不同級(jí)別、層次、階段的子系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以并行處理。膈對(duì)于大系統(tǒng)的宏觀控制、高層管理和戰(zhàn)略決策，通常，只需要采用粗粒度進(jìn)行大系統(tǒng)的全局分析、長(zhǎng)時(shí)程分析。而對(duì)于各子系統(tǒng)的微觀控制、低層管理和戰(zhàn)術(shù)決策，可能需要采用細(xì)粒度，進(jìn)行子系統(tǒng)的局部分析、短時(shí)程分析。由于采用“變粒度”分析，所以大系統(tǒng)和子系統(tǒng)分析可以具有同樣的“相對(duì)精度”，否則，若采用“同精度”分析，則難以獲得合理的相對(duì)精度。肇“動(dòng)態(tài)跟蹤”分析法莂所謂“動(dòng)態(tài)跟蹤”分析法，是采用智能模型，如自學(xué)習(xí)模型、自適應(yīng)模型、自組織模型等，利用模型庫(kù)及其管理系統(tǒng)的模型查詢、模型調(diào)用和模型構(gòu)造功能，對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真與跟蹤分析。芀采用自學(xué)習(xí)模型，可以在大系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)自學(xué)或示教，跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或參數(shù)的變化，對(duì)發(fā)展中系統(tǒng)進(jìn)行仿真和動(dòng)態(tài)分析羈采用自適應(yīng)模刑，當(dāng)大系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境或條件發(fā)生變化時(shí)，可以對(duì)模型的參數(shù)或結(jié)構(gòu)，進(jìn)行校正和修改，以適應(yīng)環(huán)境或條件變化，對(duì)不確定系統(tǒng)進(jìn)行分析。肈采用自組織模型， 當(dāng)大系統(tǒng)分析的目的、任務(wù)、要求有變化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)有變化，運(yùn)行環(huán)境、條件有變化時(shí)，可以利用模型庫(kù)管理系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行增、刪、改，構(gòu)造面向當(dāng)前問(wèn)題的適用模型，從而，可以對(duì)發(fā)展中系統(tǒng)、不確定系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)仿真與動(dòng)態(tài)跟蹤分析。螅從科學(xué)方法論的觀點(diǎn)看來(lái)，大系統(tǒng)分析的方法如圖 9-4所示。蠆蚈圖9-4大系統(tǒng)分析方法袆小結(jié)袃本章主要內(nèi)容如下：莃(1)大系統(tǒng)分析的任務(wù)：歷史回顧、現(xiàn)狀評(píng)估、未來(lái)預(yù)側(cè)；葿(2)大系統(tǒng)分析的內(nèi)容：技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、社會(huì)效果、生態(tài)影響；羇(3)大系統(tǒng)分析的特點(diǎn)：“大~小”系統(tǒng)關(guān)系，知識(shí)不完備，具有集中、分散、遞階，多級(jí)、多層、多段結(jié)構(gòu)；芆(4)大系統(tǒng)分析的方法：“分解-集結(jié)”、“定性-定量”、“黑箱白箱”、“主動(dòng)”、“變拉度”、“動(dòng)態(tài)跟蹤”方法。螂由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境、工程技術(shù)大系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的好壞，對(duì)國(guó)計(jì)民生具有重大影響，因此，大系統(tǒng)分析時(shí)于改善現(xiàn)有大系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和建設(shè)新的大系統(tǒng)都有重要的意義。腿另一方面，由于實(shí)際大系統(tǒng)常常是知識(shí)不完備、數(shù)據(jù)不精確、信息不充分的不確知、不確定系統(tǒng)，而且，結(jié)構(gòu)特性具有關(guān)鍵作用，所以，本章著重進(jìn)行大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性分析。螄習(xí)題莄1大系統(tǒng)分析的目的和任務(wù)如何 ?節(jié)2.大系統(tǒng)分析有哪些基本內(nèi)容?羀3.大系統(tǒng)分析有何特點(diǎn)?螆4.大系統(tǒng)分析可采用哪些方法?蒂5.為什么要進(jìn)行大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性分析?蟻6.試對(duì)你所知的一個(gè)大系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)行分析。蝕袇第10章大系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)分析裊本章研究大系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變型、大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)化，以及人體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制性能的啟示。肀10.1大系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)莀根據(jù)各種不同領(lǐng)域 (工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生物生態(tài) )的大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，可以歸納出3種基本的控制結(jié)構(gòu)方案：“集中控制”結(jié)構(gòu)方案、“分散控制”結(jié)構(gòu)方案、“遞階控制”結(jié)構(gòu)方案。蚄“集中控制”結(jié)構(gòu)方案羃薀圖10-1大系統(tǒng)“集中控制”結(jié)構(gòu)方案膁大系統(tǒng)的集中控制結(jié)構(gòu)方案，如圖10-1所示。蚆集中控制方案的結(jié)構(gòu)特征如下：蒞(1)控制集中。由控制中心的集中控制器對(duì)大系統(tǒng)中備子系統(tǒng)進(jìn)行集中控制， 統(tǒng)一制訂控制決策，發(fā)出控制指令。膃(2)觀測(cè)集中。關(guān)于大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)的信息，都集中傳送到控制中心，進(jìn)行統(tǒng)一的信息處理和集中觀測(cè)。蚇(3)縱向信息流。具有在集中控制器與被控制對(duì)象之間進(jìn)行交互的縱向信息流，包括：上行的狀態(tài)觀測(cè)信息流，下達(dá)的控制指令信息流。螇(4)經(jīng)典信息模式。所謂“經(jīng)典信息模式”是指集中的控制與觀測(cè)信息模式，集中控制器對(duì)大系統(tǒng)的全局狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)上是可控制、可觀測(cè)的。蒄(5)輻射式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。集中控制器與各子對(duì)象之間的控制和觀測(cè)信息通道形成輻射式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。螞集中控制系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能如下：莇(1)控制有效性。由于控制集中、觀測(cè)集中，所以功能集中，權(quán)力集中，控制中心能夠?qū)Υ笙到y(tǒng)的全局運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行統(tǒng)一的、集中的觀測(cè)和控制 )不存在分散的多個(gè)局部控制器之間難以協(xié)調(diào)的問(wèn)題，大系統(tǒng)的控制有效性較高。薅(2)運(yùn)行可靠性。由于控制集中、觀測(cè)集中，所以故障集中，風(fēng)險(xiǎn)集中。若控制中心的集中控制器發(fā)生故障，則大系統(tǒng)全局癱瘓，故系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)可靠性較低。薂(3)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易性。由于經(jīng)典信息模式，結(jié)構(gòu)上可控制、可觀測(cè)，所以集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可應(yīng)用控制理論方法。但是，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模龐大時(shí)，直接應(yīng)用控制理論方法進(jìn)行大系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)，將遇到“維數(shù)災(zāi)”的困難。肂(4)技術(shù)實(shí)現(xiàn)性。為了實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的集中控制，通常在控制中心需要采用大型、高速計(jì)算機(jī)，而為了提高可靠性，可能要采取“雙機(jī)并聯(lián)”或“三機(jī)表決”的運(yùn)行方案。此外，控制中心與被控制對(duì)象之間有大量信息傳輸，需要相應(yīng)的外圍接口、數(shù)據(jù)通信、信號(hào)電纜等設(shè)備。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，還要解決傳輸過(guò)程的信號(hào)畸變及抗干擾問(wèn)題，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大。肈(5)設(shè)備經(jīng)濟(jì)性。大型、高速計(jì)算機(jī)的設(shè)備投資較大，且需要較高的機(jī)房條件，如控制中心的空調(diào)設(shè)備，如果采用雙機(jī)或三機(jī)方案，設(shè)備費(fèi)用要增加2~3倍。此外，信息傳輸設(shè)備的投資也很大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電纜設(shè)備費(fèi)用可能占總設(shè)備投資的40%~60%。蚆(6)維護(hù)方便性。通常，大型的高速計(jì)算機(jī)的維護(hù)工作量較大，要求較高；大量信息的距離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，維護(hù)也較復(fù)雜，而且，大型計(jì)算機(jī)、傳輸電纜設(shè)備的更新也不容易。羄因此，集中控制方案適用于下列場(chǎng)合：蒁(1)系統(tǒng)規(guī)模不太大， 控制中心與被控制對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)距離較近的場(chǎng)合， 如車間的集中控制系統(tǒng)；袈(2)系統(tǒng)可靠性要求較低，或者可靠性要求較高，允許采取“雙機(jī)并聯(lián)”或“三機(jī)表決運(yùn)行”的場(chǎng)合，如電力系統(tǒng)的中央調(diào)度室；蚇(3)用戶要求采用集中控制方案，如軍事指揮控制中心。肅“分散控制”結(jié)構(gòu)方案羈大系統(tǒng)的分散控制結(jié)構(gòu)方案，如圖10-2所示。蕿分散控制方案的結(jié)構(gòu)特征如下：蒅(1)控制分散。由多個(gè)局部控制器對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行分散控制， 每個(gè)局部控制器只能對(duì)相應(yīng)的局部子系統(tǒng)進(jìn)行控制，發(fā)出局部控制指令。蒅(2)觀測(cè)分散。由多個(gè)局部控制器對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行分散觀測(cè)， 每個(gè)局部控制器只能對(duì)相應(yīng)的子系統(tǒng)進(jìn)行局部觀測(cè)，接收局部觀測(cè)信息。莀(3)橫向信息流。為了各局部控制子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)，需要進(jìn)行相互通信，在局部控制器之問(wèn)具有橫向信息流，分為“完全分散”即無(wú)橫向信息流，不相互通信和“部分分散”即有橫向信息流，部分相互通信。荿薆圖10-2 大系統(tǒng)“分散控制”結(jié)構(gòu)方案圖薄(4)非經(jīng)典信息模式。具有分散的控制與觀測(cè)信息模式，局部的分散控制器對(duì)大系統(tǒng)的全局狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)上是不可控制、不可觀測(cè)的。肅(5)回路式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。各個(gè)分散的局部控制器之間的相互通信 (部分分散)，其橫向信息通道形成回路式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。聿分散控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能如下：薈(1)控制有效性。由于控制分散、觀測(cè)分散，所以功能分散、權(quán)力分散多個(gè)分散的局部控制器之間需要進(jìn)行協(xié)調(diào)，而依靠相互通信進(jìn)行協(xié)調(diào)，存在通信時(shí)延、噪音干擾及信號(hào)畸變的情況，難以進(jìn)行全面的、及時(shí)的協(xié)調(diào)，因而人系統(tǒng)全局控制的有效性較低。但是，每個(gè)局部控制器任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)化，可以就近安裝，及時(shí)獲取觀測(cè)信息，制訂控制策略，發(fā)出控制指令，對(duì)相應(yīng)子系統(tǒng)的控制有效性較高，靈活性好。螞(2)運(yùn)行可靠性。由于控制分散、觀測(cè)分散，所以故障分散、風(fēng)險(xiǎn)分散，分散控制器發(fā)生局部故障，不會(huì)導(dǎo)致大系統(tǒng)全局癱瘓，因此，大系統(tǒng)的可靠性較高。蒃(3)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易性。由于非經(jīng)典信息模式，結(jié)構(gòu)上不可控制、觀測(cè)，局部的分散控制器對(duì)大系統(tǒng)的全局狀態(tài)是不可控制、 不可觀測(cè)的，因此，原則上不能直接應(yīng)用基于經(jīng)典信息模式的控制理論方法進(jìn)行分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。有人用反例證明：對(duì)于分散控制系統(tǒng)，最優(yōu)控制理論的“分離定理”不成立，不能隨意應(yīng)用。由于各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)，可能發(fā)生“再次猜測(cè)”現(xiàn)象，存在“發(fā)信策略”問(wèn)題，因此，狀態(tài)觀測(cè)與估計(jì)和狀態(tài)控制是相互影響的。袀(4)技術(shù)實(shí)現(xiàn)性。分散的局部控制器可以用微型或小型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)， _且可在相應(yīng)的局部子對(duì)象附近就地安裝，便于控制和觀測(cè)信號(hào)的傳輸。但是，為了實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)所進(jìn)行的相互通信，需要遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸和通信設(shè)備，并存在通信時(shí)延、噪音干擾及信號(hào)畸變等技術(shù)難題。蒞(5)設(shè)備經(jīng)濟(jì)性。微型或小型計(jì)算機(jī)，對(duì)機(jī)房條件要求較低，且局部控制和觀測(cè)信息傳輸設(shè)備較簡(jiǎn)單，所以局部控制子系統(tǒng)的投資較少。但是，為了進(jìn)行協(xié)調(diào)需要相互通信設(shè)備，這將增加總設(shè)備費(fèi)用。肄(6)維護(hù)方便性。局部控制器的微型或小型計(jì)算機(jī)、信號(hào)傳輸設(shè)備的維護(hù)較簡(jiǎn)單，設(shè)備更新也較靈活，各局部控制器可盡量采用相同型號(hào)或系列的計(jì)算機(jī)和信號(hào)傳輸設(shè)備，以簡(jiǎn)化分散控制系統(tǒng)的軟·硬件維修·備用及更新工作·但是，用于協(xié)調(diào)所需的相互通信設(shè)備，將增加系統(tǒng)維護(hù)工作的難度。袂因此，分散控制方案適用于下列場(chǎng)合：薀蒆(1)對(duì)大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性要求不高， 或者相互通信比較方便的場(chǎng)合， 如城市交通控制系統(tǒng)；膃(2)系統(tǒng)規(guī)模太大，不能或難以進(jìn)行集中控制的場(chǎng)合，如海洋交通控制系統(tǒng)；莁(3)用戶需要采用分散控制方案的場(chǎng)合，如生產(chǎn)協(xié)作網(wǎng)。莀“遞階控制”結(jié)構(gòu)方案蒈大系統(tǒng)的“遞階控制”結(jié)構(gòu)方案，如圖10-3所示。薅螁圖10-3 大系統(tǒng)“遞階控制”結(jié)構(gòu)方案肁遞階控制方案的結(jié)構(gòu)特征如下：芅(1)控制遞階。采取“上級(jí)-下級(jí)”的分級(jí)遞階式控制結(jié)構(gòu)。其中，下級(jí)各分散的局部控制器，分別對(duì)相應(yīng)的子系統(tǒng)進(jìn)行局部控制；上級(jí)協(xié)調(diào)器通過(guò)對(duì)各局部控制器的協(xié)調(diào)控制，間接地對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行集中式全局控制，從而實(shí)現(xiàn)“集中 -分散”相結(jié)合的大系統(tǒng)遞階控制。蚃(2)觀測(cè)遞階。采取“下級(jí) -上級(jí)”的分級(jí)式遞階觀測(cè)結(jié)構(gòu)。其中，下級(jí)各分散的局部控制器，分別對(duì)相應(yīng)的子系統(tǒng)進(jìn)行局部觀測(cè)；上級(jí)協(xié)調(diào)器通過(guò)對(duì)各局部控制器的協(xié)調(diào)觀測(cè)，間接地對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行集中式全局觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)“分散一集中”相結(jié)合的大系統(tǒng)遞階觀測(cè)。膀(3)遞階信息流。在“協(xié)調(diào)器 -各局部控制器 -各子系統(tǒng)”之間，遞階式傳遞縱向信息流。其中，在“協(xié)調(diào)器 -各局部控制器”之間，為上級(jí)的協(xié)調(diào)控制與協(xié)調(diào)觀測(cè)信息；在“各局部控制器-各子系統(tǒng)”之間，為下級(jí)的各局部子系統(tǒng)的控制與觀測(cè)信息。薇(4)準(zhǔn)經(jīng)典信息模式。 它是遞階的控制與觀測(cè)信息模式。 協(xié)調(diào)器通過(guò)各控制器在結(jié)構(gòu)上有可能對(duì)大系統(tǒng)全局狀態(tài)進(jìn)行間接的控制和觀測(cè)，故稱之為“準(zhǔn)經(jīng)典信息模式” 。莆(5)寶塔式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。上級(jí)協(xié)調(diào)器與下級(jí)各局部控制器、各子系統(tǒng)之間的信息通道，形成寶塔式的樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。螂遞階控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能如下：薀(1)控制有效性。遞階控制是以集中控制與分散控制相結(jié)合，既有分散的、直接的、及時(shí)的局部控制，又有集中的、間接的、全局的協(xié)調(diào)控制，兼有集中控制和分散控制的優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì)大系統(tǒng)的全局協(xié)調(diào)及各子系統(tǒng)的局部控制有效性高。羋(2)運(yùn)行可靠性。由于控制遞階、觀測(cè)遞階，所以，故障分離、風(fēng)險(xiǎn)分散。下級(jí)的局部控制器發(fā)生故障， 只影響相應(yīng)的局部子系統(tǒng)， 相當(dāng)于分散控制的可靠性。 上級(jí)協(xié)調(diào)器發(fā)生故障，將導(dǎo)致全局協(xié)調(diào)失靈，但各局部控制器仍可繼續(xù)運(yùn)行。這時(shí)，遞階控制將蛻化為分散控制，大系統(tǒng)不至于完全癱瘓，因此運(yùn)行可靠性高。蒈(3)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易性。因?yàn)檫f階控制系統(tǒng)具有“準(zhǔn)經(jīng)典信息模式”，在結(jié)構(gòu)上是可控制、可觀測(cè)的，所以，可以運(yùn)用“分解-協(xié)調(diào)”、“分解-集結(jié)”、“分解-聯(lián)合”等方法，推廣控制理論中的最優(yōu)控制、穩(wěn)定化、模塑化技術(shù)，進(jìn)行遞階控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，以消除或緩解“維數(shù)災(zāi)”。膄(4)技術(shù)實(shí)現(xiàn)性。各局部控制器可用微型或小型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，且可與相應(yīng)的子對(duì)象就近安裝，便于局部控制與觀測(cè)信號(hào)傳輸。協(xié)調(diào)器只進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，而不必對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行直接全局控制。協(xié)調(diào)任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)化，協(xié)調(diào)控制與協(xié)調(diào)觀測(cè)信息量較小，也使于傳輸和處理，協(xié)調(diào)器也可用微型或小型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。芃(5)設(shè)備經(jīng)濟(jì)性。由于協(xié)調(diào)器與各局部控制器都可用微型或小型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)， 因此對(duì)機(jī)房條件及信號(hào)傳輸設(shè)備要求較低，設(shè)備投資較少。肈(6)維護(hù)方便性。可采用相同型號(hào)或系列的微型或小型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)化軟、硬件維護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，便于更新和擴(kuò)展。芅因此，由于取長(zhǎng)補(bǔ)短， 遞階控制兼有集中控制和分散控制的優(yōu)點(diǎn)， 彌補(bǔ)了各自的缺點(diǎn)，所以，遞階控制結(jié)構(gòu)方案獲得了廣泛的應(yīng)用， 是各領(lǐng)域大系統(tǒng)普遍適用的控制結(jié)構(gòu)。如：工程技術(shù)領(lǐng)域中的多級(jí)計(jì)算機(jī)控制與管理系統(tǒng)， 社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的國(guó)家行政管理系統(tǒng)， 生物生態(tài)領(lǐng)域中的脊椎動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)等等。芃10.2大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變型螂實(shí)際上，大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的、多樣化的，它們可能是上述基本結(jié)構(gòu)的各種變型、組合或集成。螈“多級(jí)控制”結(jié)構(gòu)方案芇多級(jí)控制方案(如圖10-4所示)是在基本遞階控制方案的基礎(chǔ)上的變型及擴(kuò)展。其特點(diǎn)如下：蚅(1)級(jí)數(shù)增多。增加遞階控制的中間級(jí)，承上啟下，中間級(jí)對(duì)其上級(jí)相當(dāng)于局控級(jí)，對(duì)其下級(jí)相當(dāng)于協(xié)調(diào)級(jí)。實(shí)際上常用的是三級(jí)或四級(jí)控制方案，如公司級(jí)、工廠級(jí)、車間級(jí)。膂(2)分程協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)級(jí)分為長(zhǎng)程協(xié)調(diào)(戰(zhàn)略協(xié)調(diào)、長(zhǎng)期規(guī)劃、宏觀協(xié)調(diào))和短程協(xié)調(diào)(戰(zhàn)術(shù)協(xié)調(diào)、短期計(jì)劃、微觀協(xié)調(diào))。蕿(3)分層局控。局部控制級(jí)分為高層控制(最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制)和低層控制(直接控制、常規(guī)控制)。莈(4)同級(jí)通信。在中間級(jí)或局控級(jí)，設(shè)置適當(dāng)?shù)耐?jí)通信，進(jìn)行輔助協(xié)調(diào)或局部協(xié)調(diào)，以提高協(xié)調(diào)的快速性、有效性，減輕上級(jí)協(xié)調(diào)的負(fù)擔(dān)。螃(5)全局反饋。協(xié)調(diào)級(jí)或中間級(jí)直接從被控制對(duì)象獲取全局反饋信息， 以提高協(xié)調(diào)控制的有效性、快速性。薁艿膅肆羀圖10-4 大系統(tǒng)“多級(jí)校制”結(jié)構(gòu)方案罿10.2.2“多層控制”結(jié)構(gòu)方案膇大系統(tǒng)多層控制結(jié)構(gòu)方案如圖10-5所示。芄多層控制方案是按控制功能分層的一種遞階控制結(jié)構(gòu)變型，其中有直接控制層、最優(yōu)化層、自適應(yīng)層、自組織層。蒀(1)直接控制層。對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行直接控制 (常規(guī)控制)，如P.I.D控制，D.D.C控制等；克服快擾動(dòng)影響，如負(fù)荷波動(dòng)。螀(2)最優(yōu)化層。實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，設(shè)置直接控制層的定值或指令，克服較快擾動(dòng)的影響，如信號(hào)干擾。羋(3)自適應(yīng)層。進(jìn)行自適應(yīng)擦制，對(duì)最優(yōu)化層進(jìn)行校正 (目標(biāo)或約束)，補(bǔ)償較慢擾動(dòng)的影響，如對(duì)象特性漂移、設(shè)備老化等，以適應(yīng)環(huán)境條件變化，保持系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。莂(4)自組織層。實(shí)現(xiàn)自組織，進(jìn)行規(guī)劃決策、計(jì)劃協(xié)調(diào)、組織管理。根據(jù)大系統(tǒng)的總?cè)蝿?wù)、目標(biāo)和資源條件，制訂決策，對(duì)各層進(jìn)行組織協(xié)調(diào)，補(bǔ)償慢擾動(dòng)影響，如市場(chǎng)變化等。膃多層控制結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：蒀(1)任務(wù)均衡。較高層的功能較復(fù)雜，擾動(dòng)較慢，決策權(quán)較大，允許決策時(shí)間較長(zhǎng)；較低層的功能較簡(jiǎn)單，擾動(dòng)較快，決策權(quán)較小，允許決策時(shí)間短。肅(2)人機(jī)協(xié)調(diào)。通常，自組織層是人機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)輔助決策，可離線、非實(shí)時(shí)工作；直接控制層、最優(yōu)化層、自適應(yīng)層是在線、實(shí)時(shí)運(yùn)行。蚅薃芁肇袃羂圖10-5 大系統(tǒng)“多層控制”結(jié)構(gòu)方案蚇“多段控制”結(jié)構(gòu)方案膈大系統(tǒng)的多段控制結(jié)構(gòu)方案如圖10-6所示。膆莁圖10-6 大系統(tǒng)“多段挖制”結(jié)構(gòu)方案蕆多段控制結(jié)構(gòu)方案是遞階控制方案用于分段控制過(guò)程的一種變型，其中有分段控制器和銜接器。羅(1)分段控制器。分段控制器為下級(jí)局部控制器，分別對(duì)各子過(guò)程進(jìn)行控制，即分段局部控制。芄(2)銜接器。銜接器為上級(jí)協(xié)調(diào)器，對(duì)相鄰兩段之間進(jìn)行銜接配合的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)銜接條件，完成大系統(tǒng)的全段控制。袁多段控制方案適用于各種分段控制的大系統(tǒng)。膈(1.)彈道控制。如洲際導(dǎo)彈的彈道控制分為主動(dòng)段、慣性飛行段、末制導(dǎo)段。各段之間要滿足預(yù)定的銜接條件，如姿態(tài)和軌道參數(shù)。肇(2)航天飛機(jī)。分為 3段控制：起飛段、軌道飛行段、再入段。而再入段又可分為 3個(gè)子段控制：早期再入段、末區(qū)能量管理段、著陸段。莂(3)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程控制。如化工、熱工連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程控制，連軋機(jī)，機(jī)械制造流水線等可按工藝流程或設(shè)備條件進(jìn)行分段控制。芀綜上所述，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，由基本控制結(jié)構(gòu)的變型或擴(kuò)展可以構(gòu)成多級(jí)控制、多層控制、多段控制結(jié)構(gòu)方案。羈在上述多級(jí)、多層、多段控制方案的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步組合和集成。利用集中、分散、遞階控制等基本結(jié)構(gòu)，以不同的組合或集成方式，如嵌套式、層次式、網(wǎng)絡(luò)式、框架式等，構(gòu)成多種大系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)方案、肈例如：嵌套式多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)如圖

10-7所示。螅在宏觀的遞階控制結(jié)構(gòu)中嵌入微觀的遞階控制結(jié)構(gòu)；在外層的遞階控制結(jié)構(gòu)中嵌有內(nèi)層的遞階控制結(jié)構(gòu)。蠆蚈圖10-7 大系統(tǒng)的嵌套式多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)袆10.3大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)化袃?cè)诟鞣N不同領(lǐng)域中（如，工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生物生態(tài)） ，大系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)具有某些共性，如集中、分散、遞階控制等基本結(jié)構(gòu)，而且，控制結(jié)構(gòu)的進(jìn)化和發(fā)展過(guò)程，也存在類似的規(guī)律。莃工程技術(shù)大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)化葿生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案的進(jìn)化可分為 3個(gè)發(fā)展階段。羇分散控制（單機(jī)自動(dòng)化）芆1.在20世紀(jì)50年代左右，主要采用模擬調(diào)節(jié)器和儀表進(jìn)行單變量調(diào)節(jié)和局部控制，分別實(shí)現(xiàn)各單機(jī)自動(dòng)化。從生產(chǎn)過(guò)程大系統(tǒng)看來(lái)，相當(dāng)于分散控制結(jié)構(gòu)方案。螂由于沒(méi)有考慮大系統(tǒng)中的相互關(guān)聯(lián)，各自分別設(shè)計(jì)的單變量調(diào)節(jié)系統(tǒng)同時(shí)投入運(yùn)行時(shí)，往往不能相互配合，甚至引起大系統(tǒng)不穩(wěn)定，缺乏有效的協(xié)調(diào)。腿2.集中控制（機(jī)組自動(dòng)化）螄在20世紀(jì)60年代左右，為了實(shí)現(xiàn)記住自動(dòng)化或車間自動(dòng)化，設(shè)置了控制中心或中央控制室，采用計(jì)算機(jī)或邏輯程序?qū)Ｂ氝M(jìn)行集中控制。莄由于受到當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)容量，速度及可靠性的限制，以及多變量控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和分析設(shè)計(jì)的困難，在線、實(shí)時(shí)、閉環(huán)的集中控制不易實(shí)現(xiàn)，不能獲得預(yù)期的效果。節(jié)3.遞階控制（綜合自動(dòng)化）羀20世紀(jì)70年代以來(lái)，微型機(jī)、小型機(jī)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，企業(yè)管理和過(guò)程控制相結(jié)合，促進(jìn)了生產(chǎn)過(guò)程綜合自動(dòng)化的發(fā)展。采用多級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和管理，大系統(tǒng)的遞階控制結(jié)構(gòu)方案。通常，采用三級(jí)遞階控制，如圖10-8所示。

相應(yīng)于螆圖10-8生產(chǎn)過(guò)程的遞階控制結(jié)構(gòu)蒂蟻·車間級(jí)(1)。工藝過(guò)程控制，如常規(guī)儀表控制、直接數(shù)字控制，或最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制。蝕·工廠級(jí)(2)。生產(chǎn)調(diào)度管理，如采用計(jì)算機(jī)輔助管理信息系統(tǒng) (MIS)，進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化和計(jì)劃協(xié)調(diào)。袇·公司級(jí)(3)。企業(yè)規(guī)劃決策，采用計(jì)算機(jī)決策支持系統(tǒng) (DSS)，輔助公司決策人員制訂長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和重大決策。裊肀如上所述，在工程技術(shù)領(lǐng)域中、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)化過(guò)程如下：莀 單機(jī)自動(dòng)化 ->機(jī)組自動(dòng)化 ->綜合自動(dòng)化蚄 分散控制 ->集中控制 ->遞階控制羃社會(huì)經(jīng)濟(jì)大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)化薀 人類社會(huì)發(fā)展歷史表明：社會(huì)控制 (行政管理)大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)化過(guò)程也可分為 3個(gè)階段。膁1.分散控制(古代社會(huì))蚆在原始社會(huì)中，各部落或氏族的酋長(zhǎng)分別管理自己的部落或氏族，相互之間有某些來(lái)往(通信)，相當(dāng)于分散控制系統(tǒng)。蒞2.集中控制(近代社會(huì))膃在奴隸社會(huì)、封建社會(huì)，由奴隸主、封建帝王主宰一切，是高度集權(quán)中央的社會(huì)，以奴隸主、封建帝王為控制中心，相當(dāng)于集中控制系統(tǒng)。蚇3.遞階控制(現(xiàn)代社會(huì))螇現(xiàn)代社會(huì)，國(guó)家行政管理或經(jīng)濟(jì)管理，普遍采取“中央集權(quán)、地方分散”、“大權(quán)集中、小權(quán)分散”的組織結(jié)構(gòu)，但是集中與分散的比重有所不同，相當(dāng)于遞階控制系統(tǒng)。蒄 現(xiàn)代社會(huì)大系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖 10-9所示。螞莇圖10-9社會(huì)系統(tǒng)的遞階控制結(jié)構(gòu)薅 其中協(xié)調(diào)級(jí)、中間級(jí)、局控級(jí)本身也具有遞階結(jié)構(gòu)，如：國(guó)務(wù)院及各部委，省政府及各廳局，市政府及各廳局等，形成層次式遞階結(jié)構(gòu)。薂

可見(jiàn)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中，社會(huì)控制

(行政管理

)大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)化過(guò)程如下：肂

古代社會(huì)

->

近代社會(huì)

->

現(xiàn)代社會(huì)肈

分散控制

->

集中控制

->

遞階控制蚆生物生態(tài)大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)化羄 生物進(jìn)化過(guò)程表明，作為生物調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)，動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)的進(jìn)化也可分為 3階段。蒁1.分散控制(環(huán)節(jié)動(dòng)物)袈環(huán)節(jié)動(dòng)物，例如，蚯蚓等，它們的神經(jīng)系統(tǒng)為鏈狀神經(jīng)，軀體的各環(huán)節(jié)分別由各自的神經(jīng)細(xì)胞控制，依次連接成鏈狀神經(jīng)系統(tǒng)，相當(dāng)于分散控制結(jié)構(gòu)。蚇2.集中控制(節(jié)肢動(dòng)物)肅 節(jié)肢動(dòng)物，例如，各種昆蟲，具有頭部、軀體及肢節(jié) (腳、翅)，其中樞神經(jīng)集中于頭部，相當(dāng)于控制中心， 通過(guò)傳入和傳出的外周神經(jīng)， 控制軀體及肢節(jié)的活動(dòng)， 如爬行、飛翔，相應(yīng)于集中控制結(jié)構(gòu)。羈3.遞階控制(脊椎動(dòng)物)蕿高等動(dòng)物，例如，脊椎動(dòng)物(特別是人)，具有多級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)，包括高級(jí)中樞神經(jīng)、低級(jí)中樞神經(jīng)及外周神經(jīng)，相當(dāng)于遞階控制結(jié)構(gòu)。蒅 人體的生物控制系統(tǒng)是由神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等相互結(jié)合所組成的具有遞階結(jié)構(gòu)的多級(jí)協(xié)調(diào)控制大系統(tǒng)，如圖 10-10所示。蒅莀圖10-10人體控制系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)荿因此，在生物生態(tài)領(lǐng)域中，動(dòng)物神經(jīng)控制系統(tǒng)的進(jìn)化過(guò)程也有類似規(guī)律：薆

環(huán)節(jié)動(dòng)物

->

節(jié)肢動(dòng)物

->

脊椎動(dòng)物薄

分散控制

->

集中控制

->

遞階控制肅

綜上所述，為什么不同領(lǐng)域的大系統(tǒng)， 其結(jié)構(gòu)進(jìn)化過(guò)程具有類似的規(guī)律 ?這是值得深思的問(wèn)題。研究生物控制大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，對(duì)于設(shè)計(jì)工程技術(shù)大系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)大系統(tǒng)，是富有啟發(fā)性的。聿10.4人體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的啟示肅生物控制論的研究結(jié)果表明：人體控制系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)優(yōu)越、功能完美的大系統(tǒng)，它基于“神經(jīng)-體液”相結(jié)合的雙重體制，是具有多種協(xié)調(diào)控制作用和多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)的雙重多級(jí)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。肇雙重體制袈 人體控制系統(tǒng)是基于神經(jīng)控制和體液控制相結(jié)合的雙重體制的大系統(tǒng)。芅1.神經(jīng)控制系統(tǒng)是快速、分區(qū)控制系統(tǒng)螀神經(jīng)系統(tǒng)以電脈沖(神經(jīng)沖動(dòng))為信息載體，沿神經(jīng)纖維快速傳遞控制或觀測(cè)信息，其傳遞速度因神經(jīng)纖維的粗細(xì)、有無(wú)髓鞘而異，有髓鞘的粗纖維 (如傳出運(yùn)動(dòng)神經(jīng) )，其傳遞速度可高達(dá) 100m/s以上。無(wú)髓鞘的細(xì)纖維 (如傳人感覺(jué)神經(jīng) )，其傳遞速度也有每秒數(shù)米或十幾米，例如，視覺(jué)信息的傳遞時(shí)延約為 100~200ms。神經(jīng)電脈沖在神經(jīng)細(xì)胞中進(jìn)行時(shí)空整合，引起細(xì)胞內(nèi)膜電位變化，使細(xì)胞進(jìn)人“興奮”或“抑制”狀態(tài)。在神經(jīng)系統(tǒng)中以蒀電脈沖或電位變化的方式，進(jìn)行信息傳遞和處理，所以，神經(jīng)控制過(guò)程是快速的 (毫秒級(jí)的)控制過(guò)程，神經(jīng)系統(tǒng)是人體的快速控制系統(tǒng)。莇 神經(jīng)系統(tǒng)分為中樞神經(jīng)和外周神經(jīng)，通常外周神經(jīng) (傳入感覺(jué)神經(jīng)、傳出運(yùn)動(dòng)神經(jīng) )在全身各部位分區(qū)定位分布，如顱腦神經(jīng)、脊神經(jīng)、內(nèi)臟神經(jīng)等。中樞神經(jīng)與全身各部位有分區(qū)定位投射關(guān)系，如大腦皮層的投射關(guān)系。神經(jīng)系統(tǒng)可以對(duì)全身各部位進(jìn)行觀測(cè)，由定位分布的各種感覺(jué)器官傳入感覺(jué)信息(觀測(cè)信息)，也可以對(duì)全身各部位進(jìn)行控制，由運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出沖動(dòng)，經(jīng)傳出運(yùn)動(dòng)神經(jīng)控制有關(guān)部位。因此，神經(jīng)控制作用是通過(guò)外周神經(jīng)的分區(qū)定位分布和中樞神經(jīng)分區(qū)定位投射關(guān)系實(shí)現(xiàn)的，神經(jīng)系統(tǒng)是人體控制系統(tǒng)的分區(qū)控制系統(tǒng)。羅袂

2.體液系統(tǒng)是慢速、分工控制系統(tǒng)通常，體液系統(tǒng)包括血液、淋巴液、腦脊液等循環(huán)系統(tǒng)。這里，體液控制系統(tǒng)主要指內(nèi)分泌系統(tǒng)。薈 各種內(nèi)分泌腺體 (如，甲狀腺，腎上腺、胰腺、前列腺等 )所分泌的相應(yīng)的各種激素，通過(guò)血液等體液循環(huán)系統(tǒng)流通全身， 產(chǎn)生每種激素所特有的調(diào)節(jié)和控制作用， 如胰島素和胰高糖素對(duì)人體血糖水平的調(diào)節(jié)作用， 甲狀腺素對(duì)新陳代謝的控制作用， 腎上腺素對(duì)血壓的調(diào)節(jié)作用等。各種內(nèi)分泌激素具有各自的控制和調(diào)節(jié)功能， 所以，內(nèi)分泌系統(tǒng)具有“分工控制”的體制，是人體控制系統(tǒng)中的分工控制系統(tǒng)。螇 由于體液循環(huán)較慢，如血液循環(huán)一周約需 20s左右，同時(shí)，體液中某種激素含量需要一定的時(shí)間進(jìn)行積累，才能達(dá)到閾值濃度，產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，因此，體液控制過(guò)程需要較長(zhǎng)時(shí)間(秒級(jí))，具有較長(zhǎng)的后效，是慢速控制過(guò)程。體液控制系統(tǒng)是人體控制系統(tǒng)的慢速控制系統(tǒng)。螆 所以，人體控制系統(tǒng)典有雙重體制，神經(jīng)快速控制與體液慢速控制相結(jié)合，神經(jīng)分區(qū)控制與體液分工控制相結(jié)合。羃多級(jí)遞階控制羀 人體控制系統(tǒng)具有“神經(jīng) -體液”的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)。膆1．神經(jīng)系統(tǒng)的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)蒆 如圖10-11.所示。高級(jí)神經(jīng)中樞包括腦內(nèi)各級(jí)：大腦皮層、大腦半球、丘腦、腦干 (中腦、橋腦、間腦 )及延腦等，相當(dāng)于協(xié)調(diào)級(jí)。低級(jí)神經(jīng)中樞指脊髓，它分為：頸椎、胸椎、腰椎、尾椎，共 31個(gè)神經(jīng)節(jié)段，相當(dāng)于局控級(jí)。它們通過(guò)外周神經(jīng) (31對(duì)脊神經(jīng))，分別控制相應(yīng)的人體各部位 (頭頸部、胸部及上肢、腰部、臀部及下肢 )，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)的分區(qū)控制。螀聿圖10-11神經(jīng)系統(tǒng)的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)薅2.體液系統(tǒng)的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)羂 如圖1.0-12所示。腦垂體相當(dāng)于協(xié)調(diào)級(jí)， 分泌促激素，對(duì)各種內(nèi)分泌腺進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。各內(nèi)分泌腺（如，甲狀腺、腎上腺、胰腺、前列腺等)相當(dāng)于局控級(jí)；各自分泌相應(yīng)的激素 (如，甲狀腺素、胰島素、腎上腺素、前列腺素等 )，通過(guò)血液循環(huán)對(duì)人體進(jìn)行分工控制。螂膇圖10-12 體液系統(tǒng)的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)肅協(xié)調(diào)控制作用蚃袃

人體控制系統(tǒng)的顯著特征是具有多種協(xié)調(diào)控制作用。1.大腦皮層的反射協(xié)調(diào)蕿 大腦皮層是神經(jīng)系統(tǒng)的最高級(jí)中樞，是整個(gè)人體控制系統(tǒng)的高級(jí)協(xié)調(diào)器，不僅對(duì)“神經(jīng)-體液”的雙重體制的控制過(guò)程只有協(xié)調(diào)平衡作用，而且由于大腦皮層與全身各部位有相應(yīng)的分區(qū)投射關(guān)系，對(duì)各種神經(jīng)反射(反饋)都具有反射協(xié)調(diào)作用，通過(guò)交互抑制，進(jìn)行協(xié)調(diào)平衡。此外，大腦左、右兩半球，分別交叉控制人體的右、左兩半部分，也是一種協(xié)調(diào)平衡作用。螈2.小腦的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制蒃 小腦是人體的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制中心，人體各部位 (如，頭部.軀體、上肢、下肢等)的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的相互配合，才能保持人體的正常姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)平衡。蝕3.交感與副交感神經(jīng)的拮抗作用蚈交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)具備相互拮抗的協(xié)調(diào)平衡作用，如：交感神經(jīng)興奮，使血壓升高；副交感神經(jīng)興奮，使血壓下降。兩者相互抵抗，內(nèi)交感與副交感神經(jīng)的動(dòng)態(tài)平衡，保持人體正常的血壓水平。膈4.內(nèi)分泌激素的動(dòng)態(tài)平衡作用膄 在體液系統(tǒng)中也具有多種方式的協(xié)調(diào)作用，如內(nèi)分泌激素的拮抗作用。例如，由胰腺分泌的胰島素，具有降血糖作用，而胰高糖素具有升血糖作用，兩者相互拮抗。胰島素與胰高糖素的動(dòng)態(tài)平衡，保持人體的正常血糖水平。螞 值得注意，人體內(nèi)各種生理、生化參數(shù)的穩(wěn)定，如體溫、血壓、呼吸、心率、水分等，也都是通過(guò)“神經(jīng) -體液”的協(xié)調(diào)控制作用實(shí)現(xiàn)的。不同于通常的工業(yè)調(diào)節(jié)和控制，按外部給定值與被調(diào)量的偏差進(jìn)行負(fù)反饋控制； 在人體控制系統(tǒng)中， 內(nèi)部給定值是自行整定的， 按協(xié)調(diào)偏差反饋實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。人體的協(xié)調(diào)控制機(jī)理與本書第 15章的多變量協(xié)調(diào)控制原理肀有類似之處，可謂“殊途同歸” 。薇 應(yīng)當(dāng)指出，我國(guó)中醫(yī)理論的“經(jīng)絡(luò)學(xué)說(shuō)”所論述的人體的“經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)”也具有多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)和多種協(xié)調(diào)控制性能，如：陰陽(yáng)平衡、五行生克、虛補(bǔ)實(shí)瀉、表里協(xié)同等。需要運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行研究。羄小結(jié)螃腿羆蚄薁

本章主要內(nèi)容概括如下：大系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：集中控制、分散控制、遞階控制；大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變形：多級(jí)控制、多層控制、多段控制；大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)化：分散控制->集中控制->遞階控制；人體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的啟示：雙重體制、多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)控制機(jī)理。薁 由于生物長(zhǎng)期進(jìn)化、自然淘汰，人體控制系統(tǒng)具有優(yōu)越的結(jié)構(gòu)特性與協(xié)調(diào)機(jī)理，如何研究生物控制系統(tǒng)， 特別是人體控制系統(tǒng)奧妙的特性和抓理， 借鑒于規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造工程技術(shù)大系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)大系統(tǒng)，是大系統(tǒng)控制論的重要課題。蒆習(xí)題蒅1.大系統(tǒng)的3種基本結(jié)構(gòu)(集中、分散、遞階)各有何優(yōu)缺點(diǎn)?薂2.大系統(tǒng)的3種結(jié)構(gòu)變型(多級(jí)、多層、多段)各有何特點(diǎn)?蠆3.不同領(lǐng)域大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)化的相似性有何啟示 ?裊4.人體控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性有什么啟示?膅5.試設(shè)計(jì)一種擬人的工程技術(shù)大系統(tǒng)的多級(jí)控制結(jié)構(gòu)方案、蚃6.試設(shè)計(jì)一種擬人的工程技術(shù)大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方案。螈第16章大系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制薈本章研究大系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，將多變量協(xié)調(diào)控制原理拓廣到遞階大系統(tǒng)與分散大系統(tǒng)，分析人體大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制機(jī)制與經(jīng)濟(jì)大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略。裊16.1遞階大系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制蒁 關(guān)于多變量控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制原理、概念和方法可以拓廣，應(yīng)用于研究大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。膀大系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的“協(xié)調(diào)化”。即，通過(guò)協(xié)調(diào)控制，使大系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)(小系統(tǒng))相互協(xié)調(diào)、相互配合、相互制約、相互促進(jìn)，從而在實(shí)現(xiàn)各小系統(tǒng)子目標(biāo)、子任務(wù)的基礎(chǔ).上實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的總目標(biāo)、總?cè)蝿?wù)。羈 大系統(tǒng)普通采用遞階控制結(jié)構(gòu)方案，例如，采取“關(guān)聯(lián)平衡”原則進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的二級(jí)遞階控制系統(tǒng)，如圖 16-1所示。蚆薂羋莇膂薃薁袇袃莁蝿芆蚃圖16-1 遞階大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制蒂圖中，J為總目標(biāo)(總?cè)蝿?wù))；R為總約束(總資源)i，j，為協(xié)調(diào)偏差i,j為協(xié)調(diào)變量；NN,uj為局部控mi,mj為假想關(guān)聯(lián)(假想變量)；Aijxj,Ajixi為實(shí)際關(guān)聯(lián)(對(duì)象藕合)；uijiij制(i=1，2，?，N)；xi,xj為局部狀態(tài)(j=1，2，??N)。袈設(shè)大系統(tǒng)由 N個(gè)子系統(tǒng)組成，其狀態(tài)方程組如下：蚅莃式中，xi，ui為第i個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)矢量，控制矢量；Aii，Bi為第i個(gè)子系統(tǒng)的對(duì)象矩N陣，控制矩陣；Aijxj為第i個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)際關(guān)聯(lián)(藕合)。ji蒄大系統(tǒng)的總?cè)蝿?wù)是實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)化，是總目標(biāo)函數(shù)極小化(或極大化)。膀肅式中，第 i個(gè)子系統(tǒng)局部最優(yōu)化的子目標(biāo)函數(shù)為肄芁式中，Qi，Ri為權(quán)重矩陣； xiT，uiT為狀態(tài)、控制的轉(zhuǎn)置矢量。莈 在圖16-1所示的二級(jí)遞階控制的大系統(tǒng)中，下級(jí)為 N個(gè)局部控制子系統(tǒng)，上級(jí)為協(xié)調(diào)器，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)挖制。這里，協(xié)調(diào)控制的任務(wù)在于適當(dāng)處理各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)(藕合)，在各子系統(tǒng)局部最優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的全局最優(yōu)化。螈 遞階大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制可分兩步進(jìn)行。襖1.分解莂適當(dāng)處理相互關(guān)聯(lián)(耦合)，將復(fù)雜大系統(tǒng)分解為簡(jiǎn)單子系統(tǒng)，分別并行求解各子系統(tǒng)的局部最優(yōu)化控制問(wèn)題。蟻相互關(guān)聯(lián)可體現(xiàn)為模型關(guān)聯(lián)或目標(biāo)關(guān)聯(lián)，因此，需要進(jìn)行模型分解或目標(biāo)分解。例如，采用“非現(xiàn)實(shí)分解法”對(duì)模型關(guān)聯(lián)進(jìn)行分解，引人“假想變量”來(lái)考慮實(shí)際關(guān)聯(lián)的影響：芇薄式中，為假想變量 (假想關(guān)聯(lián))，i=1，2，?，N，從而將大系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分解為 N個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：膀蝿?dòng)捎诩傧腙P(guān)聯(lián)與實(shí)際關(guān)聯(lián)可能不同，需要對(duì)目標(biāo)的數(shù)進(jìn)行修正，所以有蚇蒞式中，J*為大系統(tǒng)的修正日標(biāo)的數(shù)； Ji*