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，大系統(tǒng)分析的內(nèi)容，大系統(tǒng)分析的特點，大系統(tǒng)分析的方法。羈9.1大系統(tǒng)分析的任務肈大系統(tǒng)分析的任務在于對已有的大系統(tǒng)進行定性、定量，靜態(tài)、動態(tài)，結構、功能，宏觀、微觀的分析；對大系統(tǒng)的歷史、現(xiàn)狀和未來進行回顧、評估和預測，為改進大系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提高運行效率，更新結構與擴展功能， 提供科學依據(jù)和實現(xiàn)途徑。其任務可分為方面：螅歷史回顧蠆歷史回顧是對大系統(tǒng)已有的運行歷史進行回顧與總結，根據(jù)大系統(tǒng)的達行歷史紀錄和統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析和歸納，總結出有關的定性、定量，靜態(tài)、動態(tài)的規(guī)律或關系及結構、功能，宏觀、微觀的特性或機理，為建立大系統(tǒng)的廣義模型，進行廣義模型的驗證和擬合，提供客觀依據(jù)和實際數(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)律方面是相對平穩(wěn)的。因此，對大系統(tǒng)的歷史進行分析，具有重要的現(xiàn)實意義，所謂“溫故知新”，例如，避免歷史上的錯誤在現(xiàn)實環(huán)境下重演。袆現(xiàn)狀評估袃現(xiàn)狀評估對大系統(tǒng)的現(xiàn)有運行狀態(tài)進行評價與估算，包括技術性能、經(jīng)濟指標、社會效益、生態(tài)影響等各方面。首先利用歷史回顧結果和數(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， 進行大系統(tǒng)的現(xiàn)狀評估； 最后采用不同的粒度， 進行宏觀或微觀的分析，揭示大系統(tǒng)結構或功能方面存在的問題或缺陷，提出改進的建議和方法。例如， 由于集中控制結構而存在的大系統(tǒng)可靠性下降、風險性集中的問題；由于分散控制結構，導致大系統(tǒng)能控性削弱、協(xié)調(diào)性困難的問題。莃在大系統(tǒng)現(xiàn)狀評估過程中，一方面，是在系統(tǒng)“平穩(wěn)性”假設前提下，應用基于歷史回顧所建立的廣義模型，進行系統(tǒng)現(xiàn)狀分析。如果分析結論與現(xiàn)實狀態(tài)相吻合，說明“平穩(wěn)性”假設是可行的，那么，歷史上行之有效的、成功的控制策略仍可在現(xiàn)實系統(tǒng)中應用，否則，說明系統(tǒng)“平穩(wěn)性”假設有問題，可能是現(xiàn)實系統(tǒng)有了非平穩(wěn)的變化。另一方面，要根據(jù)現(xiàn)實系統(tǒng)的結構特性和環(huán)境條件，對廣義模型進行必要的校正，注意現(xiàn)實系統(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)驗模式，采取適用于非平穩(wěn)的現(xiàn)實系統(tǒng)的控制和管理方式。所謂“推陳出新” 、“破舊立新”。葿未來預測羇未來預測是利用基于現(xiàn)狀分析結果和數(shù)據(jù)所建文的或校正過的廣義模型，對大系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢進行預測、、通過系統(tǒng)仿真，檢驗現(xiàn)行控制策略的米來效果，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依據(jù)。芆類似地，在未來預測中，也需要假設現(xiàn)實系統(tǒng)與未來系統(tǒng)是相對“平穩(wěn)”的，才能采用基于現(xiàn)實系統(tǒng)的模型對未來系統(tǒng)進行分析和預測。螂預測結果的可信度，一方面取決于預測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。如果預測模型把握了基本規(guī)律，且在預測時間段內(nèi)“平穩(wěn)性”假設成立，那么，預測結果可信度高。腿如上所述，基于廣義模型的大系統(tǒng)分析過程如圖 9-1所示。螄莄圖9-1 大系統(tǒng)分析的任務節(jié)在圖9-1中，大系統(tǒng)分析的全過程由3個子過程組成：歷史回顧、現(xiàn)狀評估、未來預測，依次相應地采用下列廣義模型。羀1.回顧模型螆回顧模型是根據(jù)歷史事實和統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立的，用于進行大系統(tǒng)歷史回顧分析的廣義模型。蒂2.評估模型蟻評估模型利用現(xiàn)狀事實和數(shù)據(jù)，對回顧模型進行擬合和校正后，所建立的評估模型，用于進行大系統(tǒng)現(xiàn)狀評估。蝕3.預測模型袇預測模型用于進行大系統(tǒng)未來預測的廣義模型，由評估模型經(jīng)時間外延可得預測模型，外延時間應滿足系統(tǒng)平穩(wěn)性假設。裊因此，大系統(tǒng)分析的過程，既是廣義模型的應用過程，也是廣義模型的建立、校正與修改的過程。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、社會經(jīng)濟、生物生態(tài)等各個領域，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)為實際背景加以說明。

4個方面，并以大型工業(yè)企業(yè)的控制與管理羃技術性能薀從控制論觀點看來，各種有組織的系統(tǒng)，都存在著控制與通信過程，因而，也都是廣義的控制系統(tǒng)或信息系統(tǒng)。例如，一個大型工業(yè)企業(yè)就是一個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)的控制和信息過程，因此，在大系統(tǒng)分析中，關于技術性能方面的分析內(nèi)容，主要是涉及大系統(tǒng)的控制性能，以及相應的信息傳遞、變換、處理過程的性能。蚆(1)能通性。指信息結構的能通性，這是控制系統(tǒng)信息通道結構的基本特性，包括；控制信息結構能通性、觀測信息結構能通性、輸出信息結構能通性等，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程實現(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構與被控制對象相匹配的結構和參數(shù)特性，及能否利用輸入控制信號對系統(tǒng)狀態(tài)或輸出實現(xiàn)控制的可能性。膃(3)能觀性?；蚍Q“可觀性”、“可觀測性”，指通過輸出對系統(tǒng)狀態(tài)進行觀測的可能性，反映了觀測裝置與被控制對象相然配的結構和參數(shù)特性，及能否利用輸出信號對系統(tǒng)狀態(tài)進行直接或間接的觀測的可能性。蚇(4)能協(xié)調(diào)性?；蚍Q“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)控制任務的可能性，包括：任務協(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)之間相互關聯(lián)的結構與參數(shù)特性，且與各子系統(tǒng)的能控性、能觀性有關，協(xié)調(diào)是大系統(tǒng)控制.f理與決策的關鍵問題。螇(5)穩(wěn)定性。包括平衡態(tài)穩(wěn)定性，指系統(tǒng)受到擾動而偏離其平衡態(tài)，當擾動消失后，系統(tǒng)恢復平衡態(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)定性關系問題，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)可靠性關系問題，即， “組合可靠性”，具有重要意義。螞(7)快速性。指系統(tǒng)達到給定控制目標所需控制過程時間的長短。 它與系統(tǒng)的慣性和時延有關，對于大系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制過程的快速性不僅取決于相互關聯(lián)的慣性和時延， 也與各子系統(tǒng)的慣性和時延有關。在大系統(tǒng)中，可能存在“快慢分離”現(xiàn)象，各子系統(tǒng)、各局部控制過程的快速性相差懸殊，可能增加協(xié)調(diào)困難，但可用于簡化模型和系統(tǒng)分析。 “協(xié)調(diào)快速性”分析具有重要意義〕莇(8)準確性。指系統(tǒng)偏離給定控制目標的誤差大小，包括：穩(wěn)態(tài)準確度，指系統(tǒng)的平穩(wěn)狀態(tài)與目標狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)誤差大??；動態(tài)準確度，指系統(tǒng)的動態(tài)過程與目標過程的動態(tài)誤差大小。準確度不僅取決于系統(tǒng)本身的結構和參數(shù)，而且與環(huán)境條件、 干擾噪音有關。 在大系統(tǒng)分析中，可采用變粒度模型，對大系統(tǒng)的全局控制和各子系統(tǒng)的局部控制， 具有不同的粒度、不同的準確度要求?！皡f(xié)調(diào)準確度”分析具有重要意義。薅(9)魯棒性。即健壯和強壯的意思，用來表示當一個控制系統(tǒng)中的參數(shù)發(fā)生攝動時系統(tǒng)能否保持正常工作的一種特性或?qū)傩?，就像人在受到外界病菌的感染后，是否能夠通過自身的免疫系統(tǒng)恢復健康一樣，隨著人們對于控制效果要求的不斷提高，系統(tǒng)的魯棒性會越來越多地被人們所重視。薂經(jīng)濟指標肂經(jīng)濟指標分析可分為兩方面：肈(1)經(jīng)濟代價，或經(jīng)濟投人。如設備投資、運行費用、維修費用、基建投資等。其中運行費用包括：原料消耗、能源消耗、勞力費用等。蚆(2)經(jīng)濟收益，或經(jīng)濟產(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)濟效益。羄由于大系統(tǒng)往往國民經(jīng)濟有重大影響，因此，大系統(tǒng)的經(jīng)濟指標分析具有重要意義。蒁 例如，大型冶金企業(yè)、化工企業(yè)、機械制造企業(yè)、電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)等，其投資巨大，若運行狀態(tài)好，其經(jīng)濟效益顯著；否則，其經(jīng)濟損失嚴重。袈 但是，在現(xiàn)有的控制理論或大系統(tǒng)理論中， 對控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性問題缺乏應有的研究。應當指出，從控制論觀點研究大系統(tǒng)控制過程的經(jīng)濟性是一個新問題， 它不同于一般的工業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟可行性分析，而是著眼于控制過程的經(jīng)濟性，包括為實現(xiàn)大系統(tǒng)控制過程而付出的經(jīng)濟代價，如控制設備的投資和運行費用，以及由于控制目標的實現(xiàn)而獲取的經(jīng)濟效益，如產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高帶來的收益。蚇通常，在大型工業(yè)企業(yè)中，控制設備投資和運行費用，只占生產(chǎn)設備總投資和運行費用的較少的部分，而由于實現(xiàn)有效的控制、管理和決策，所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益卻是十分巨大的，其中包括直接經(jīng)濟效益和間接經(jīng)濟效益。一般情況下，過程控制可產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益，而企業(yè)管理產(chǎn)生間接或直接經(jīng)濟效益。肅社會效果羈 各種大系統(tǒng)的達行狀態(tài)對社會有重大影響， 可能產(chǎn)生正的效果， 也可能產(chǎn)生負的效果。蕿(1)安定性。社會生活的安定性，意味著沒有戰(zhàn)爭、沖突、攀力，刑事犯罪率低，疾病傳染率低，事故死亡率低等。社會安定性與各種大系統(tǒng)有關，如f家行政管理系統(tǒng)、國民經(jīng)濟管理系統(tǒng)、公共服務系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、醫(yī)療保健系統(tǒng)等。蒅即使是一個大型工業(yè)企業(yè)，它對社會安定性也有影響。例如，由于企業(yè)的自動化程度提高，可能使勞動密集型的企業(yè)減少就業(yè)人員，或者，由于企業(yè)經(jīng)營不力，導致職工生活水平下降或惡化，可能引起社會的刑事犯罪率土升，破壞社會安定性。蒅因此，在我國人口眾多，勞動力密集的情況下，對于工業(yè)企業(yè)的技術改造與技術革新，我們認為應當采取“靈活自動化”的適用技術方針，研究大系統(tǒng)靈活自動化的方法和技術；采用適合于國情的控制系統(tǒng)的設計方法和實現(xiàn)技術，使大系統(tǒng)中人與機器相互協(xié)調(diào)，合理分工.，從而使控制技術革新產(chǎn)生良好的社會經(jīng)濟綜合效益。莀(2)有序性。社會的有序性是指社會中人們活動的有序化程度，它是社會的組織化程度的反映。若社會的組織化程度高，則人們活動的有序性高，社會秩序的紊亂程度低；反之，若社會的組織化程度低，則人們活動的有序性低，社會秩序的紊亂程度高。荿社會的有序性要適應社會發(fā)展和人民生活的需要，有序性太低，社會處于無組織的紊亂狀態(tài)，不利于社會發(fā)展和人民生活的安定； 有序性過高，社會處于高度組織化的機械狀態(tài)，不利于造就生動活潑的社會環(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?！保鄳谏鐣慕M織化模式。如集中組織模式、分散組織模式，“集中一分散”相結合的“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、變型和進化的復雜組織模式。類似地，這里需要研究最適宜的有序化模式，或“最佳有序?！眴栴}。薄生態(tài)影響肅工程技術大系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境可能有重要影響。聿(1)生態(tài)平衡。大型工程建設項日對所在地區(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，可能對環(huán)境造成嚴重污染，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)分析的特點肄“大~小”系統(tǒng)關系問題袂由于實際的大系統(tǒng)往往由許多小系統(tǒng) (子系統(tǒng))通過相互關聯(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，特點之一是關于“大~小”系統(tǒng)關系問題的分析，如：“大~小”系統(tǒng)穩(wěn)定性關系問題。薀若各小系統(tǒng)穩(wěn)定，其相互關聯(lián)應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) ?其相互關聯(lián)應滿足什么條件 ?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 ?相互關系條件如何 ?蒆通過“大~小”系統(tǒng)穩(wěn)定性關系的分析，可以從穩(wěn)定性方面提出對相互關聯(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，對于線性多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，可以證明：當協(xié)調(diào)關系為同步關系或比例協(xié)調(diào)關系，且各小系統(tǒng)的特性滿足對稱性條件時，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“大準確性及魯棒性的關系問題。

~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)濟指標、社會效果、生態(tài)影響的分析中，也存在類似的“大系統(tǒng)關系問題?！按髜小”系統(tǒng)關系分析包括定性關系、定量關系，靜態(tài)關系、動態(tài)關系的分析。

~小”蒈知識不完備薅大系統(tǒng)通常是數(shù)據(jù)不精確、信息不充分、知識不完備的復雜系統(tǒng)，這種特點給系統(tǒng)分析造成很大困難。知識不完備有以下幾個方面的因素：螁1.不確知系統(tǒng)肁由于大系統(tǒng)規(guī)模龐大、結構復雜、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、處理的技術上、經(jīng)濟上、時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。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，主觀方而有來自人的認識、思維、語言的模糊性，客觀方面有事物變化、產(chǎn)生、消失的隨機性等。因此，人們關于大系統(tǒng)的知識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)本身的結構或參數(shù)的變化速率與系統(tǒng)對外界輸入的輸出響應速率可以比擬，則稱之為“發(fā)展中系統(tǒng)” 。例如，一個大型工業(yè)企業(yè)的管理體制改革比較頻繁，在一項生產(chǎn)計劃制訂和實施的過程中，管理體制已經(jīng)發(fā)生了變化。這樣，將給系統(tǒng)分析帶來困難?！鞍l(fā)展中系統(tǒng)”是變結構、變參數(shù)系統(tǒng)。需要采用變結構、變參數(shù)模型機型描述和分析，而伏案與大系統(tǒng)的結構和參數(shù)的變化規(guī)律的知識，也是不完備的。莆“多級、多層、多段”結構特性螂雖然實際大系統(tǒng)的結構十分復雜，但是，關于結構分析的結果表明，大系統(tǒng)具有3種基本的控制結構：“集中控制”結構、“分散控制”結構、“遞階控制”結構。其中，“遞階控制”結構是“集中一分散”相結合的普遍采用的先進的控制結構。薀各種大系統(tǒng)的實際結構可視為上述3種基本結構的組合、變型和進化。我們可歸納出大系統(tǒng)的3種典型結構：多級控制結構、多層控制結構、多段控制結構。羋在大系統(tǒng)分析中，應當考慮上述大系統(tǒng)的結構特性，建立相適應的模型，根據(jù)大系統(tǒng)中不同級別、層次、階段的實際需求，選取適當?shù)牧６?、合理的精度進行系統(tǒng)分析。如上所述，大系統(tǒng)分析的特點如圖9-3所示。蒈膄圖9-3大系統(tǒng)分析的特點芃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，我們建議采取下列相應的分析方法。芅“分解-集結”分析法芃所謂“分解-集結”方法是分兩步對大系統(tǒng)進行分析。螂1.分解——“化整為零”螈將復雜大系統(tǒng)分解為簡單的小系統(tǒng)，分別對各小系統(tǒng)進行局部分析，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)的模型進行邏輯上、數(shù)學上的分解。蚅關于“分解”的方法，有如下幾種思路：膂(1)“解除”關聯(lián)。假設各小系統(tǒng)之間不存在相互關聯(lián)，或者說，將相互關聯(lián)“解除” ，令大系統(tǒng)模型中的關聯(lián)項為零，在各小系統(tǒng)分析中不予考慮。蕿(2)等效關聯(lián)。將各小系統(tǒng)之間的關聯(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)估計關聯(lián)。對關聯(lián)的影響進行估計，在小系統(tǒng)分析時，用估計值考慮關聯(lián)作用。螃2.集結——“合零為整”薁將各小系統(tǒng)分析所得的局部解集結起來，考慮相互關聯(lián)，求取大系統(tǒng)的全局解。艿這里的“集結”，并不是將各小系統(tǒng)的局部解簡單相加，而是在各小系統(tǒng)局部解的基礎上，考慮關聯(lián)作用，求取大系統(tǒng)的全局解。膅“集結”方法要與“分解”方法相適應：肆(1)“恢復"關聯(lián)。在“集結”時，將“分解"時所解除的關聯(lián)加以恢復，以考慮關聯(lián)的作用。羀(2)關聯(lián)平衡。在“集結”時，將“分解”時所采用的等效輸人、輸出與實際關聯(lián)進行平衡。罿(3)估值校正。在“集結”時，對“分解”時所選取的關聯(lián)估值進行校正，以符合實際關聯(lián)值。膇例如，采用“分解

-集結”方法進行大系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，分兩步研究“大

~小”系統(tǒng)穩(wěn)定性關系：芄(l)先解除關聯(lián)，分別求各小系統(tǒng)穩(wěn)定條件；蒀(2)恢復關聯(lián)，求關聯(lián)應滿足的穩(wěn)定條件，與各小系統(tǒng)穩(wěn)定條件“集結” ，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”相結合的方法。莂(1)“啟發(fā)-算法”方法。例如：知識推理與數(shù)學運算相結合的方法，一方面，根據(jù)關于系統(tǒng)的啟發(fā)性知識和經(jīng)驗，以及系統(tǒng)結構特性、運行狀態(tài)的事實和規(guī)律，建立知識模型，進行定性分析；另一方而，利用有關系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)、特性參數(shù)等數(shù)值信息，建立數(shù)學模型，進行定量分析，并且，兩者相互配合，相輔相成。通常，先進行定性分析，以策劃定量分析；再由定量分析檢驗定性分析，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：賦值或加權的有向圖、無向圖，樹圖、網(wǎng)絡圖，及神經(jīng)網(wǎng)絡分析方法。利用圖示的拓撲結構描述系統(tǒng)的結構特性、因果關系、邏輯關系、時序關系等，以便進行定性分析；利用圖的賦值或加權表示系統(tǒng)的參數(shù)特性、數(shù)量關系、聯(lián)系強度、作用大小等，進行定量分析。蒀采用“定性-定量”相結合的方法進行大系統(tǒng)分析，有兩方而的原因。肅(l)現(xiàn)實可行性。由于大系統(tǒng)的復雜性、不確知性和不確定性，缺乏精確的數(shù)據(jù)、充分的知識、完備的信息，所以單純依靠數(shù)學模型進行精確的定量分析是不現(xiàn)實的。事實上，至今有許多復雜因素還缺乏適用的數(shù)學描述方法，如：社會心理因素、人們的經(jīng)驗知識等。所以，現(xiàn)實可行的方法是利用數(shù)學模型與知識模型集成的廣義模型，進行定量與定性結合的分析。蚅(2)實際需求性。實際上，為了大系統(tǒng)控制、管理、決策的需求而進行的系統(tǒng)分析，不僅需要把握大系統(tǒng)運行狀態(tài)和發(fā)展變化的定性規(guī)律和特性，而且需要了解相應的定量關系和數(shù)據(jù)。例如，關于國民經(jīng)濟系統(tǒng)的分析，有基于“政治經(jīng)濟學”的定性分析，也有基于“計量經(jīng)濟學”的定量分析，存在著爭論和分歧。我們認為：兩者應當相互交流取長補短，才能進行定性與定量結合的全而分析。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，對系統(tǒng)的外部功能進行分析，如：輸入廣輸出響應特性。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，對系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進行分析，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”相結合的廣義模型，如：多層狀態(tài)空間、多重廣義算子模型等，對系統(tǒng)的外部功能、內(nèi)部狀態(tài)進行全面分析。蚇應用“黑箱-白箱”方法，可根據(jù)大系統(tǒng)的結構特性，建立適用的廣義模型。例如，對多級結構、多層結構的大系統(tǒng)，可建立多級、多層狀態(tài)空間模型；對于多段結構大系統(tǒng)，可建立各段廣義算子模型，以便對整個大系統(tǒng)以及其中各小系統(tǒng)的功能和狀態(tài)，進行“外部-內(nèi)部”、“宏觀-微觀”相結合的分析。膈“主動”分析法膆通常，在控制理論或大系統(tǒng)理論中，系統(tǒng)分析是以被控制對象的數(shù)學模型為基礎的。根據(jù)被控制對象的數(shù)學模型，設計控制器，構成控制系統(tǒng)，進而建立控制系統(tǒng)數(shù)學模型，進行系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性分析。 這里，系統(tǒng)分析依賴于被控制對象的數(shù)學模到， 如果缺乏適用的被控制對象數(shù)學模型，那么，控制系統(tǒng)分析就無法進行，處于被動局面，我們稱這種系統(tǒng)分析方法為“被動”分析法。莁這里，所謂“主動”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)絡模型等)依靠控制專家的知識和經(jīng)驗，認識問題和解決問題的方法，以及關于被控制對象特性和環(huán)境條件的感性和理性知識，建立控制者的廣義模型，利用控制者模型進行主動的系統(tǒng)分析。蕆例如，利用經(jīng)濟領域的大型、多學科、綜合型專家系統(tǒng)，對經(jīng)濟大系統(tǒng)的控制、管理和決策，進行咨詢、預測和決策分析。這里，專家系統(tǒng)為“智囊團”——控制者的模型。羅“變粒度”分析法芄根據(jù)大系統(tǒng)的結構特性，建議采取“變粒度”方法對大系統(tǒng)進行分析，以便適應不同級別、不同層次、不同階段對系統(tǒng)分析的粒度和精度的需求，并以有助于簡化系統(tǒng)分析與信息采集工作，進行并行處理，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、多層、多段結構特性，對不同的級別、層次、階段，選取相適應的精度和粒度，建立大系統(tǒng)的“變粒度”廣義模型。利用“變粒度”模型，分別對不同級別、層次、階段的子系統(tǒng)進行分析，可以并行處理。膈對于大系統(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行大系統(tǒng)的全局分析、長時程分析。而對于各子系統(tǒng)的微觀控制、低層管理和戰(zhàn)術決策，可能需要采用細粒度，進行子系統(tǒng)的局部分析、短時程分析。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“相對精度”，否則，若采用“同精度”分析，則難以獲得合理的相對精度。肇“動態(tài)跟蹤”分析法莂所謂“動態(tài)跟蹤”分析法，是采用智能模型，如自學習模型、自適應模型、自組織模型等，利用模型庫及其管理系統(tǒng)的模型查詢、模型調(diào)用和模型構造功能，對大系統(tǒng)進行計算機動態(tài)仿真與跟蹤分析。芀采用自學習模型，可以在大系統(tǒng)運行過程中，通過自學或示教，跟蹤系統(tǒng)結構或參數(shù)的變化，對發(fā)展中系統(tǒng)進行仿真和動態(tài)分析羈采用自適應模刑，當大系統(tǒng)的運行環(huán)境或條件發(fā)生變化時，可以對模型的參數(shù)或結構，進行校正和修改，以適應環(huán)境或條件變化，對不確定系統(tǒng)進行分析。肈采用自組織模型， 當大系統(tǒng)分析的目的、任務、要求有變化，系統(tǒng)結構、參數(shù)有變化，運行環(huán)境、條件有變化時，可以利用模型庫管理系統(tǒng)，對系統(tǒng)模型進行增、刪、改，構造面向當前問題的適用模型，從而，可以對發(fā)展中系統(tǒng)、不確定系統(tǒng)進行系統(tǒng)仿真與動態(tài)跟蹤分析。螅從科學方法論的觀點看來，大系統(tǒng)分析的方法如圖 9-4所示。蠆蚈圖9-4大系統(tǒng)分析方法袆小結袃本章主要內(nèi)容如下：莃(1)大系統(tǒng)分析的任務：歷史回顧、現(xiàn)狀評估、未來預側；葿(2)大系統(tǒng)分析的內(nèi)容：技術性能、經(jīng)濟指標、社會效果、生態(tài)影響；羇(3)大系統(tǒng)分析的特點：“大~小”系統(tǒng)關系，知識不完備，具有集中、分散、遞階，多級、多層、多段結構；芆(4)大系統(tǒng)分析的方法：“分解-集結”、“定性-定量”、“黑箱白箱”、“主動”、“變拉度”、“動態(tài)跟蹤”方法。螂由于社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境、工程技術大系統(tǒng)運行狀態(tài)的好壞，對國計民生具有重大影響，因此，大系統(tǒng)分析時于改善現(xiàn)有大系統(tǒng)運行狀態(tài)和建設新的大系統(tǒng)都有重要的意義。腿另一方面，由于實際大系統(tǒng)常常是知識不完備、數(shù)據(jù)不精確、信息不充分的不確知、不確定系統(tǒng)，而且，結構特性具有關鍵作用，所以，本章著重進行大系統(tǒng)結構特性分析。螄習題莄1大系統(tǒng)分析的目的和任務如何 ?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?螆4.大系統(tǒng)分析可采用哪些方法?蒂5.為什么要進行大系統(tǒng)結構特性分析?蟻6.試對你所知的一個大系統(tǒng)實例進行分析。蝕袇第10章大系統(tǒng)控制結構分析裊本章研究大系統(tǒng)的基本結構、大系統(tǒng)的結構變型、大系統(tǒng)的結構進化，以及人體控制系統(tǒng)結構和控制性能的啟示。肀10.1大系統(tǒng)的基本結構莀根據(jù)各種不同領域 (工程技術、社會經(jīng)濟、生物生態(tài) )的大系統(tǒng)的結構特征，可以歸納出3種基本的控制結構方案：“集中控制”結構方案、“分散控制”結構方案、“遞階控制”結構方案。蚄“集中控制”結構方案羃薀圖10-1大系統(tǒng)“集中控制”結構方案膁大系統(tǒng)的集中控制結構方案，如圖10-1所示。蚆集中控制方案的結構特征如下：蒞(1)控制集中。由控制中心的集中控制器對大系統(tǒng)中備子系統(tǒng)進行集中控制， 統(tǒng)一制訂控制決策，發(fā)出控制指令。膃(2)觀測集中。關于大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)的信息，都集中傳送到控制中心，進行統(tǒng)一的信息處理和集中觀測。蚇(3)縱向信息流。具有在集中控制器與被控制對象之間進行交互的縱向信息流，包括：上行的狀態(tài)觀測信息流，下達的控制指令信息流。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信息模式，集中控制器對大系統(tǒng)的全局狀態(tài)，在結構上是可控制、可觀測的。蒄(5)輻射式拓撲結構。集中控制器與各子對象之間的控制和觀測信息通道形成輻射式的拓撲結構。螞集中控制系統(tǒng)技術經(jīng)濟性能如下：莇(1)控制有效性。由于控制集中、觀測集中，所以功能集中，權力集中，控制中心能夠?qū)Υ笙到y(tǒng)的全局運行狀態(tài)，進行統(tǒng)一的、集中的觀測和控制 )不存在分散的多個局部控制器之間難以協(xié)調(diào)的問題，大系統(tǒng)的控制有效性較高。薅(2)運行可靠性。由于控制集中、觀測集中，所以故障集中，風險集中。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)運行的結構可靠性較低。薂(3)設計簡易性。由于經(jīng)典信息模式，結構上可控制、可觀測，所以集中控制系統(tǒng)的設計可應用控制理論方法。但是，當系統(tǒng)規(guī)模龐大時，直接應用控制理論方法進行大系統(tǒng)分析和設計，將遇到“維數(shù)災”的困難。肂(4)技術實現(xiàn)性。為了實現(xiàn)大系統(tǒng)的集中控制，通常在控制中心需要采用大型、高速計算機，而為了提高可靠性，可能要采取“雙機并聯(lián)”或“三機表決”的運行方案。此外，控制中心與被控制對象之間有大量信息傳輸，需要相應的外圍接口、數(shù)據(jù)通信、信號電纜等設備。當距離較遠時，還要解決傳輸過程的信號畸變及抗干擾問題，技術實現(xiàn)難度較大。肈(5)設備經(jīng)濟性。大型、高速計算機的設備投資較大，且需要較高的機房條件，如控制中心的空調(diào)設備，如果采用雙機或三機方案，設備費用要增加2~3倍。此外，信息傳輸設備的投資也很大，據(jù)統(tǒng)計，電纜設備費用可能占總設備投資的40%~60%。蚆(6)維護方便性。通常，大型的高速計算機的維護工作量較大，要求較高；大量信息的距離較遠的數(shù)據(jù)傳輸設備，維護也較復雜，而且，大型計算機、傳輸電纜設備的更新也不容易。羄因此，集中控制方案適用于下列場合：蒁(1)系統(tǒng)規(guī)模不太大， 控制中心與被控制對象的現(xiàn)場距離較近的場合， 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“雙機并聯(lián)”或“三機表決運行”的場合，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”結構方案羈大系統(tǒng)的分散控制結構方案，如圖10-2所示。蕿分散控制方案的結構特征如下：蒅(1)控制分散。由多個局部控制器對大系統(tǒng)進行分散控制， 每個局部控制器只能對相應的局部子系統(tǒng)進行控制，發(fā)出局部控制指令。蒅(2)觀測分散。由多個局部控制器對大系統(tǒng)進行分散觀測， 每個局部控制器只能對相應的子系統(tǒng)進行局部觀測，接收局部觀測信息。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)，需要進行相互通信，在局部控制器之問具有橫向信息流，分為“完全分散”即無橫向信息流，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”結構方案圖薄(4)非經(jīng)典信息模式。具有分散的控制與觀測信息模式，局部的分散控制器對大系統(tǒng)的全局狀態(tài)，在結構上是不可控制、不可觀測的。肅(5)回路式拓撲結構。各個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撲結構。聿分散控制系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性能如下：薈(1)控制有效性。由于控制分散、觀測分散，所以功能分散、權力分散多個分散的局部控制器之間需要進行協(xié)調(diào)，而依靠相互通信進行協(xié)調(diào)，存在通信時延、噪音干擾及信號畸變的情況，難以進行全面的、及時的協(xié)調(diào)，因而人系統(tǒng)全局控制的有效性較低。但是，每個局部控制器任務相對簡化，可以就近安裝，及時獲取觀測信息，制訂控制策略，發(fā)出控制指令，對相應子系統(tǒng)的控制有效性較高，靈活性好。螞(2)運行可靠性。由于控制分散、觀測分散，所以故障分散、風險分散，分散控制器發(fā)生局部故障，不會導致大系統(tǒng)全局癱瘓，因此，大系統(tǒng)的可靠性較高。蒃(3)設計簡易性。由于非經(jīng)典信息模式，結構上不可控制、觀測，局部的分散控制器對大系統(tǒng)的全局狀態(tài)是不可控制、 不可觀測的，因此，原則上不能直接應用基于經(jīng)典信息模式的控制理論方法進行分散控制系統(tǒng)設計。有人用反例證明：對于分散控制系統(tǒng)，最優(yōu)控制理論的“分離定理”不成立，不能隨意應用。由于各子系統(tǒng)之間的相互關聯(lián)，可能發(fā)生“再次猜測”現(xiàn)象，存在“發(fā)信策略”問題，因此，狀態(tài)觀測與估計和狀態(tài)控制是相互影響的。袀(4)技術實現(xiàn)性。分散的局部控制器可以用微型或小型計算機實現(xiàn)， _且可在相應的局部子對象附近就地安裝，便于控制和觀測信號的傳輸。但是，為了實現(xiàn)協(xié)調(diào)所進行的相互通信，需要遠距離的數(shù)據(jù)傳輸和通信設備，并存在通信時延、噪音干擾及信號畸變等技術難題。蒞(5)設備經(jīng)濟性。微型或小型計算機，對機房條件要求較低，且局部控制和觀測信息傳輸設備較簡單，所以局部控制子系統(tǒng)的投資較少。但是，為了進行協(xié)調(diào)需要相互通信設備，這將增加總設備費用。肄(6)維護方便性。局部控制器的微型或小型計算機、信號傳輸設備的維護較簡單，設備更新也較靈活，各局部控制器可盡量采用相同型號或系列的計算機和信號傳輸設備，以簡化分散控制系統(tǒng)的軟·硬件維修·備用及更新工作·但是，用于協(xié)調(diào)所需的相互通信設備，將增加系統(tǒng)維護工作的難度。袂因此，分散控制方案適用于下列場合：薀蒆(1)對大系統(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，不能或難以進行集中控制的場合，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合，如生產(chǎn)協(xié)作網(wǎng)。莀“遞階控制”結構方案蒈大系統(tǒng)的“遞階控制”結構方案，如圖10-3所示。薅螁圖10-3 大系統(tǒng)“遞階控制”結構方案肁遞階控制方案的結構特征如下：芅(1)控制遞階。采取“上級-下級”的分級遞階式控制結構。其中，下級各分散的局部控制器，分別對相應的子系統(tǒng)進行局部控制；上級協(xié)調(diào)器通過對各局部控制器的協(xié)調(diào)控制，間接地對大系統(tǒng)進行集中式全局控制，從而實現(xiàn)“集中 -分散”相結合的大系統(tǒng)遞階控制。蚃(2)觀測遞階。采取“下級 -上級”的分級式遞階觀測結構。其中，下級各分散的局部控制器，分別對相應的子系統(tǒng)進行局部觀測；上級協(xié)調(diào)器通過對各局部控制器的協(xié)調(diào)觀測，間接地對大系統(tǒng)進行集中式全局觀測，從而實現(xiàn)“分散一集中”相結合的大系統(tǒng)遞階觀測。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，為上級的協(xié)調(diào)控制與協(xié)調(diào)觀測信息；在“各局部控制器-各子系統(tǒng)”之間，為下級的各局部子系統(tǒng)的控制與觀測信息。薇(4)準經(jīng)典信息模式。 它是遞階的控制與觀測信息模式。 協(xié)調(diào)器通過各控制器在結構上有可能對大系統(tǒng)全局狀態(tài)進行間接的控制和觀測，故稱之為“準經(jīng)典信息模式” 。莆(5)寶塔式拓撲結構。上級協(xié)調(diào)器與下級各局部控制器、各子系統(tǒng)之間的信息通道，形成寶塔式的樹型拓撲結構。螂遞階控制系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性能如下：薀(1)控制有效性。遞階控制是以集中控制與分散控制相結合，既有分散的、直接的、及時的局部控制，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。因此，對大系統(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)運行可靠性。由于控制遞階、觀測遞階，所以，故障分離、風險分散。下級的局部控制器發(fā)生故障， 只影響相應的局部子系統(tǒng)， 相當于分散控制的可靠性。 上級協(xié)調(diào)器發(fā)生故障，將導致全局協(xié)調(diào)失靈，但各局部控制器仍可繼續(xù)運行。這時，遞階控制將蛻化為分散控制，大系統(tǒng)不至于完全癱瘓，因此運行可靠性高。蒈(3)設計簡易性。因為遞階控制系統(tǒng)具有“準經(jīng)典信息模式”，在結構上是可控制、可觀測的，所以，可以運用“分解-協(xié)調(diào)”、“分解-集結”、“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，進行遞階控制系統(tǒng)的分析和設計，以消除或緩解“維數(shù)災”。膄(4)技術實現(xiàn)性。各局部控制器可用微型或小型計算機實現(xiàn)，且可與相應的子對象就近安裝，便于局部控制與觀測信號傳輸。協(xié)調(diào)器只進行協(xié)調(diào)控制，而不必對大系統(tǒng)進行直接全局控制。協(xié)調(diào)任務相對簡化，協(xié)調(diào)控制與協(xié)調(diào)觀測信息量較小，也使于傳輸和處理，協(xié)調(diào)器也可用微型或小型計算機實現(xiàn)。芃(5)設備經(jīng)濟性。由于協(xié)調(diào)器與各局部控制器都可用微型或小型計算機實現(xiàn)， 因此對機房條件及信號傳輸設備要求較低，設備投資較少。肈(6)維護方便性。可采用相同型號或系列的微型或小型計算機，簡化軟、硬件維護。系統(tǒng)結構靈活，便于更新和擴展。芅因此，由于取長補短， 遞階控制兼有集中控制和分散控制的優(yōu)點， 彌補了各自的缺點，所以，遞階控制結構方案獲得了廣泛的應用， 是各領域大系統(tǒng)普遍適用的控制結構。如：工程技術領域中的多級計算機控制與管理系統(tǒng)， 社會經(jīng)濟領域中的國家行政管理系統(tǒng)， 生物生態(tài)領域中的脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)等等。芃10.2大系統(tǒng)的結構變型螂實際上，大系統(tǒng)的結構是復雜的、多樣化的，它們可能是上述基本結構的各種變型、組合或集成。螈“多級控制”結構方案芇多級控制方案(如圖10-4所示)是在基本遞階控制方案的基礎上的變型及擴展。其特點如下：蚅(1)級數(shù)增多。增加遞階控制的中間級，承上啟下，中間級對其上級相當于局控級，對其下級相當于協(xié)調(diào)級。實際上常用的是三級或四級控制方案，如公司級、工廠級、車間級。膂(2)分程協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)級分為長程協(xié)調(diào)(戰(zhàn)略協(xié)調(diào)、長期規(guī)劃、宏觀協(xié)調(diào))和短程協(xié)調(diào)(戰(zhàn)術協(xié)調(diào)、短期計劃、微觀協(xié)調(diào))。蕿(3)分層局控。局部控制級分為高層控制(最優(yōu)控制、自適應控制)和低層控制(直接控制、常規(guī)控制)。莈(4)同級通信。在中間級或局控級，設置適當?shù)耐壨ㄐ牛M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，減輕上級協(xié)調(diào)的負擔。螃(5)全局反饋。協(xié)調(diào)級或中間級直接從被控制對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)“多級校制”結構方案罿10.2.2“多層控制”結構方案膇大系統(tǒng)多層控制結構方案如圖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構變型，其中有直接控制層、最優(yōu)化層、自適應層、自組織層。蒀(1)直接控制層。對被控制對象進行直接控制 (常規(guī)控制)，如P.I.D控制，D.D.C控制等；克服快擾動影響，如負荷波動。螀(2)最優(yōu)化層。實現(xiàn)最優(yōu)化，設置直接控制層的定值或指令，克服較快擾動的影響，如信號干擾。羋(3)自適應層。進行自適應擦制，對最優(yōu)化層進行校正 (目標或約束)，補償較慢擾動的影響，如對象特性漂移、設備老化等，以適應環(huán)境條件變化，保持系統(tǒng)最優(yōu)運行狀態(tài)。莂(4)自組織層。實現(xiàn)自組織，進行規(guī)劃決策、計劃協(xié)調(diào)、組織管理。根據(jù)大系統(tǒng)的總任務、目標和資源條件，制訂決策，對各層進行組織協(xié)調(diào)，補償慢擾動影響，如市場變化等。膃多層控制結構的特點如下：蒀(1)任務均衡。較高層的功能較復雜，擾動較慢，決策權較大，允許決策時間較長；較低層的功能較簡單，擾動較快，決策權較小，允許決策時間短。肅(2)人機協(xié)調(diào)。通常，自組織層是人機系統(tǒng)，計算機輔助決策，可離線、非實時工作；直接控制層、最優(yōu)化層、自適應層是在線、實時運行。蚅薃芁肇袃羂圖10-5 大系統(tǒng)“多層控制”結構方案蚇“多段控制”結構方案膈大系統(tǒng)的多段控制結構方案如圖10-6所示。膆莁圖10-6 大系統(tǒng)“多段挖制”結構方案蕆多段控制結構方案是遞階控制方案用于分段控制過程的一種變型，其中有分段控制器和銜接器。羅(1)分段控制器。分段控制器為下級局部控制器，分別對各子過程進行控制，即分段局部控制。芄(2)銜接器。銜接器為上級協(xié)調(diào)器，對相鄰兩段之間進行銜接配合的協(xié)調(diào)控制，實現(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。如洲際導彈的彈道控制分為主動段、慣性飛行段、末制導段。各段之間要滿足預定的銜接條件，如姿態(tài)和軌道參數(shù)。肇(2)航天飛機。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)過程控制。如化工、熱工連續(xù)生產(chǎn)過程控制，連軋機，機械制造流水線等可按工藝流程或設備條件進行分段控制。芀綜上所述，根據(jù)實際應用的需要，由基本控制結構的變型或擴展可以構成多級控制、多層控制、多段控制結構方案。羈在上述多級、多層、多段控制方案的基礎上可以進一步組合和集成。利用集中、分散、遞階控制等基本結構，以不同的組合或集成方式，如嵌套式、層次式、網(wǎng)絡式、框架式等，構成多種大系統(tǒng)的控制結構方案、肈例如：嵌套式多級遞階結構如圖

10-7所示。螅在宏觀的遞階控制結構中嵌入微觀的遞階控制結構；在外層的遞階控制結構中嵌有內(nèi)層的遞階控制結構。蠆蚈圖10-7 大系統(tǒng)的嵌套式多級遞階結構袆10.3大系統(tǒng)的結構進化袃在各種不同領域中（如，工程技術、社會經(jīng)濟、生物生態(tài)） ，大系統(tǒng)控制結構具有某些共性，如集中、分散、遞階控制等基本結構，而且，控制結構的進化和發(fā)展過程，也存在類似的規(guī)律。莃工程技術大系統(tǒng)結構進化葿生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)的結構方案的進化可分為 3個發(fā)展階段。羇分散控制（單機自動化）芆1.在20世紀50年代左右，主要采用模擬調(diào)節(jié)器和儀表進行單變量調(diào)節(jié)和局部控制，分別實現(xiàn)各單機自動化。從生產(chǎn)過程大系統(tǒng)看來，相當于分散控制結構方案。螂由于沒有考慮大系統(tǒng)中的相互關聯(lián)，各自分別設計的單變量調(diào)節(jié)系統(tǒng)同時投入運行時，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（機組自動化）螄在20世紀60年代左右，為了實現(xiàn)記住自動化或車間自動化，設置了控制中心或中央控制室，采用計算機或邏輯程序?qū)Ｂ氝M行集中控制。莄由于受到當時計算機容量，速度及可靠性的限制，以及多變量控制系統(tǒng)數(shù)學模型和分析設計的困難，在線、實時、閉環(huán)的集中控制不易實現(xiàn)，不能獲得預期的效果。節(jié)3.遞階控制（綜合自動化）羀20世紀70年代以來，微型機、小型機及計算機網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，企業(yè)管理和過程控制相結合，促進了生產(chǎn)過程綜合自動化的發(fā)展。采用多級計算機進行控制和管理，大系統(tǒng)的遞階控制結構方案。通常，采用三級遞階控制，如圖10-8所示。

相應于螆圖10-8生產(chǎn)過程的遞階控制結構蒂蟻·車間級(1)。工藝過程控制，如常規(guī)儀表控制、直接數(shù)字控制，或最優(yōu)控制、自適應控制。蝕·工廠級(2)。生產(chǎn)調(diào)度管理，如采用計算機輔助管理信息系統(tǒng) (MIS)，進行生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化和計劃協(xié)調(diào)。袇·公司級(3)。企業(yè)規(guī)劃決策，采用計算機決策支持系統(tǒng) (DSS)，輔助公司決策人員制訂長遠規(guī)劃和重大決策。裊肀如上所述，在工程技術領域中、生產(chǎn)過程自動化的大系統(tǒng)結構進化過程如下：莀 單機自動化 ->機組自動化 ->綜合自動化蚄 分散控制 ->集中控制 ->遞階控制羃社會經(jīng)濟大系統(tǒng)結構進化薀 人類社會發(fā)展歷史表明：社會控制 (行政管理)大系統(tǒng)的結構進化過程也可分為 3個階段。膁1.分散控制(古代社會)蚆在原始社會中，各部落或氏族的酋長分別管理自己的部落或氏族，相互之間有某些來往(通信)，相當于分散控制系統(tǒng)。蒞2.集中控制(近代社會)膃在奴隸社會、封建社會，由奴隸主、封建帝王主宰一切，是高度集權中央的社會，以奴隸主、封建帝王為控制中心，相當于集中控制系統(tǒng)。蚇3.遞階控制(現(xiàn)代社會)螇現(xiàn)代社會，國家行政管理或經(jīng)濟管理，普遍采取“中央集權、地方分散”、“大權集中、小權分散”的組織結構，但是集中與分散的比重有所不同，相當于遞階控制系統(tǒng)。蒄 現(xiàn)代社會大系統(tǒng)的控制結構如圖 10-9所示。螞莇圖10-9社會系統(tǒng)的遞階控制結構薅 其中協(xié)調(diào)級、中間級、局控級本身也具有遞階結構，如：國務院及各部委，省政府及各廳局，市政府及各廳局等，形成層次式遞階結構。薂

可見，在社會經(jīng)濟領域中，社會控制

(行政管理

)大系統(tǒng)結構進化過程如下：肂

古代社會

->

近代社會

->

現(xiàn)代社會肈

分散控制

->

集中控制

->

遞階控制蚆生物生態(tài)大系統(tǒng)結構進化羄 生物進化過程表明，作為生物調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)，動物的神經(jīng)系統(tǒng)的進化也可分為 3階段。蒁1.分散控制(環(huán)節(jié)動物)袈環(huán)節(jié)動物，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)細胞控制，依次連接成鏈狀神經(jīng)系統(tǒng)，相當于分散控制結構。蚇2.集中控制(節(jié)肢動物)肅 節(jié)肢動物，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，相當于控制中心， 通過傳入和傳出的外周神經(jīng)， 控制軀體及肢節(jié)的活動， 如爬行、飛翔，相應于集中控制結構。羈3.遞階控制(脊椎動物)蕿高等動物，例如，脊椎動物(特別是人)，具有多級神經(jīng)系統(tǒng)，包括高級中樞神經(jīng)、低級中樞神經(jīng)及外周神經(jīng)，相當于遞階控制結構。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)等相互結合所組成的具有遞階結構的多級協(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)的遞階結構荿因此，在生物生態(tài)領域中，動物神經(jīng)控制系統(tǒng)的進化過程也有類似規(guī)律：薆

環(huán)節(jié)動物

->

節(jié)肢動物

->

脊椎動物薄

分散控制

->

集中控制

->

遞階控制肅

綜上所述，為什么不同領域的大系統(tǒng)， 其結構進化過程具有類似的規(guī)律 ?這是值得深思的問題。研究生物控制大系統(tǒng)的結構特性，對于設計工程技術大系統(tǒng)、社會經(jīng)濟大系統(tǒng)，是富有啟發(fā)性的。聿10.4人體控制系統(tǒng)結構的啟示肅生物控制論的研究結果表明：人體控制系統(tǒng)是結構優(yōu)越、功能完美的大系統(tǒng)，它基于“神經(jīng)-體液”相結合的雙重體制，是具有多種協(xié)調(diào)控制作用和多級遞階結構的雙重多級協(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)為信息載體，沿神經(jīng)纖維快速傳遞控制或觀測信息，其傳遞速度因神經(jīng)纖維的粗細、有無髓鞘而異，有髓鞘的粗纖維 (如傳出運動神經(jīng) )，其傳遞速度可高達 100m/s以上。無髓鞘的細纖維 (如傳人感覺神經(jīng) )，其傳遞速度也有每秒數(shù)米或十幾米，例如，視覺信息的傳遞時延約為 100~200ms。神經(jīng)電脈沖在神經(jīng)細胞中進行時空整合，引起細胞內(nèi)膜電位變化，使細胞進人“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，進行信息傳遞和處理，所以，神經(jīng)控制過程是快速的 (毫秒級的)控制過程，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) (傳入感覺神經(jīng)、傳出運動神經(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)定位投射關系，如大腦皮層的投射關系。神經(jīng)系統(tǒng)可以對全身各部位進行觀測，由定位分布的各種感覺器官傳入感覺信息(觀測信息)，也可以對全身各部位進行控制，由運動神經(jīng)細胞發(fā)出沖動，經(jīng)傳出運動神經(jīng)控制有關部位。因此，神經(jīng)控制作用是通過外周神經(jīng)的分區(qū)定位分布和中樞神經(jīng)分區(qū)定位投射關系實現(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 )所分泌的相應的各種激素，通過血液等體液循環(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人體血糖水平的調(diào)節(jié)作用， 甲狀腺素對新陳代謝的控制作用， 腎上腺素對血壓的調(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，體液中某種激素含量需要一定的時間進行積累，才能達到閾值濃度，產(chǎn)生相應的控制作用，因此，體液控制過程需要較長時間(秒級)，具有較長的后效，是慢速控制過程。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合，神經(jīng)分區(qū)控制與體液分工控制相結合。羃多級遞階控制羀 人體控制系統(tǒng)具有“神經(jīng) -體液”的多級遞階結構。膆1．神經(jīng)系統(tǒng)的多級遞階結構蒆 如圖10-11.所示。高級神經(jīng)中樞包括腦內(nèi)各級：大腦皮層、大腦半球、丘腦、腦干 (中腦、橋腦、間腦 )及延腦等，相當于協(xié)調(diào)級。低級神經(jīng)中樞指脊髓，它分為：頸椎、胸椎、腰椎、尾椎，共 31個神經(jīng)節(jié)段，相當于局控級。它們通過外周神經(jīng) (31對脊神經(jīng))，分別控制相應的人體各部位 (頭頸部、胸部及上肢、腰部、臀部及下肢 )，實現(xiàn)神經(jīng)的分區(qū)控制。螀聿圖10-11神經(jīng)系統(tǒng)的多級遞階結構薅2.體液系統(tǒng)的多級遞階結構羂 如圖1.0-12所示。腦垂體相當于協(xié)調(diào)級， 分泌促激素，對各種內(nèi)分泌腺進行協(xié)調(diào)控制。各內(nèi)分泌腺（如，甲狀腺、腎上腺、胰腺、前列腺等)相當于局控級；各自分泌相應的激素 (如，甲狀腺素、胰島素、腎上腺素、前列腺素等 )，通過血液循環(huán)對人體進行分工控制。螂膇圖10-12 體液系統(tǒng)的多級遞階結構肅協(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)的最高級中樞，是整個人體控制系統(tǒng)的高級協(xié)調(diào)器，不僅對“神經(jīng)-體液”的雙重體制的控制過程只有協(xié)調(diào)平衡作用，而且由于大腦皮層與全身各部位有相應的分區(qū)投射關系，對各種神經(jīng)反射(反饋)都具有反射協(xié)調(diào)作用，通過交互抑制，進行協(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.小腦的運動協(xié)調(diào)控制蒃 小腦是人體的姿態(tài)和運動的協(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)和運動的相互配合，才能保持人體的正常姿態(tài)和運動的協(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“神經(jīng) -體液”的協(xié)調(diào)控制作用實現(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)量的偏差進行負反饋控制； 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)偏差反饋實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。人體的協(xié)調(diào)控制機理與本書第 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 應當指出，我國中醫(yī)理論的“經(jīng)絡學說”所論述的人體的“經(jīng)絡系統(tǒng)”也具有多級遞階結構和多種協(xié)調(diào)控制性能，如：陰陽平衡、五行生克、虛補實瀉、表里協(xié)同等。需要運用現(xiàn)代科學技術對經(jīng)絡系統(tǒng)進行研究。羄小結螃腿羆蚄薁

本章主要內(nèi)容概括如下：大系統(tǒng)的基本結構：集中控制、分散控制、遞階控制；大系統(tǒng)的結構變形：多級控制、多層控制、多段控制；大系統(tǒng)的結構進化：分散控制->集中控制->遞階控制；人體控制系統(tǒng)結構的啟示：雙重體制、多級遞階結構、協(xié)調(diào)控制機理。薁 由于生物長期進化、自然淘汰，人體控制系統(tǒng)具有優(yōu)越的結構特性與協(xié)調(diào)機理，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、設計和建造工程技術大系統(tǒng)、社會經(jīng)濟大系統(tǒng)，是大系統(tǒng)控制論的重要課題。蒆習題蒅1.大系統(tǒng)的3種基本結構(集中、分散、遞階)各有何優(yōu)缺點?薂2.大系統(tǒng)的3種結構變型(多級、多層、多段)各有何特點?蠆3.不同領域大系統(tǒng)的結構進化的相似性有何啟示 ?裊4.人體控制系統(tǒng)的結構特性有什么啟示?膅5.試設計一種擬人的工程技術大系統(tǒng)的多級控制結構方案、蚃6.試設計一種擬人的工程技術大系統(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)控制機制與經(jīng)濟大系統(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，應用于研究大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制問題。膀大系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的任務是實現(xiàn)大系統(tǒng)的“協(xié)調(diào)化”。即，通過協(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，從而在實現(xiàn)各小系統(tǒng)子目標、子任務的基礎.上實現(xiàn)大系統(tǒng)的總目標、總任務。羈 大系統(tǒng)普通采用遞階控制結構方案，例如，采取“關聯(lián)平衡”原則進行協(xié)調(diào)控制的二級遞階控制系統(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(總任務)；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為假想關聯(lián)(假想變量)；Aijxj,Ajixi為實際關聯(lián)(對象藕合)；uijiij制(i=1，2，?，N)；xi,xj為局部狀態(tài)(j=1，2，??N)。袈設大系統(tǒng)由 N個子系統(tǒng)組成，其狀態(tài)方程組如下：蚅莃式中，xi，ui為第i個子系統(tǒng)的狀態(tài)矢量，控制矢量；Aii，Bi為第i個子系統(tǒng)的對象矩N陣，控制矩陣；Aijxj為第i個子系統(tǒng)的實際關聯(lián)(藕合)。ji蒄大系統(tǒng)的總任務是實現(xiàn)全局最優(yōu)化，是總目標函數(shù)極小化(或極大化)。膀肅式中，第 i個子系統(tǒng)局部最優(yōu)化的子目標函數(shù)為肄芁式中，Qi，Ri為權重矩陣； xiT，uiT為狀態(tài)、控制的轉(zhuǎn)置矢量。莈 在圖16-1所示的二級遞階控制的大系統(tǒng)中，下級為 N個局部控制子系統(tǒng)，上級為協(xié)調(diào)器，對各子系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)挖制。這里，協(xié)調(diào)控制的任務在于適當處理各子系統(tǒng)之間的相互關聯(lián)(藕合)，在各子系統(tǒng)局部最優(yōu)化的基礎上，通過協(xié)調(diào)，實現(xiàn)大系統(tǒng)的全局最優(yōu)化。螈 遞階大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制可分兩步進行。襖1.分解莂適當處理相互關聯(lián)(耦合)，將復雜大系統(tǒng)分解為簡單子系統(tǒng)，分別并行求解各子系統(tǒng)的局部最優(yōu)化控制問題。蟻相互關聯(lián)可體現(xiàn)為模型關聯(lián)或目標關聯(lián)，因此，需要進行模型分解或目標分解。例如，采用“非現(xiàn)實分解法”對模型關聯(lián)進行分解，引人“假想變量”來考慮實際關聯(lián)的影響：芇薄式中，為假想變量 (假想關聯(lián))，i=1，2，?，N，從而將大系統(tǒng)的數(shù)學模型分解為 N個子系統(tǒng)的數(shù)學模型：膀蝿由于假想關聯(lián)與實際關聯(lián)可能不同，需要對目標的數(shù)進行修正，所以有蚇蒞式中，J*為大系統(tǒng)的修正日標的數(shù)； Ji*