系統(tǒng)工程概括

一般系統(tǒng)論1.存在著適合于一般系統(tǒng)或子系統(tǒng)的模式、原則和規(guī)律，而不論其具體種類、組成部分的性質(zhì)和它們之間的關(guān)系或“力”的情況如何。2.一般系統(tǒng)論的基本觀點(diǎn)

(1)系統(tǒng)觀點(diǎn)

(2)動(dòng)態(tài)觀點(diǎn)

(3)等級(jí)觀點(diǎn)二.控制論1.控制論:為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身的穩(wěn)定和功能,系統(tǒng)需要取得、使用、保持和傳遞能量、材料和信息，也需要對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)成部分進(jìn)行組織。2.控制論具體內(nèi)容

(1)最優(yōu)控制論 使控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的基本條件和綜合方法?？筛爬椋簩?duì)一個(gè)受控的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從一類允許的控制方案中找出一個(gè)最優(yōu)的控制方案，使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)在由某個(gè)初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到指定的目標(biāo)狀態(tài)的同時(shí)，其性能指標(biāo)值為最優(yōu)。最優(yōu)控制理論是50年代中期在空間技術(shù)推動(dòng)下開始形成和發(fā)展起來(lái)。分散控制理論

大系統(tǒng)理論的一個(gè)重要的組成部分是分散控制理論。分散控制系統(tǒng)有多個(gè)控制站，每個(gè)控制站是控制系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為子系統(tǒng)。因此分散控制是把大系統(tǒng)劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)后分別進(jìn)行控制。

3.信息論4.耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)和突變理論（1）耗散結(jié)構(gòu)理論：主要討論開放系統(tǒng)從無(wú)序向有序轉(zhuǎn)化的機(jī)理、條件和規(guī)律。貝納特效應(yīng)：在一個(gè)玻璃試管中裝入液體，下面用酒精燈加熱。熱量從試管下部通過(guò)水向上面?zhèn)鬟f。當(dāng)加熱到一定程度時(shí)，試管中的水在翻動(dòng)中形成許多在人看來(lái)是六面體的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象，物理學(xué)稱為伯納德效應(yīng)，這也是一種耗散結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)振蕩或化學(xué)鐘：一些有機(jī)酸組份濃度和反應(yīng)介質(zhì)的顏色隨周期變化的現(xiàn)象。利用適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，介質(zhì)的顏色變化可在紅、蘭色之間作周期性變換，象鐘擺一樣發(fā)生規(guī)則的時(shí)間振蕩。Zhabotinsky等人又發(fā)現(xiàn)在某些條件下體系中組份的濃度并不總是均勻分布的，而是可以形成規(guī)則的空間分布，出現(xiàn)許多漂亮的花紋。①耗散結(jié)構(gòu)：一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，通過(guò)不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在外界條件達(dá)到一定閥值，系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變，有原來(lái)的無(wú)序狀態(tài)變?yōu)橐环N在時(shí)間、空間或功能上的有序結(jié)構(gòu)，即耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)要求不斷地與外界交換物質(zhì)和能量才能維持。A平衡態(tài)：是指系統(tǒng)內(nèi)部的每一點(diǎn)的任何宏觀參數(shù)，如溫度、壓力、密度等等都完全一致的狀態(tài)。平衡態(tài)出現(xiàn)的一個(gè)充分條件是，它必須是一個(gè)孤立系統(tǒng)。B．

準(zhǔn)平衡態(tài)假定在環(huán)境的作用下，系統(tǒng)內(nèi)部是按“平均”水平而整體上升或下降的。如，燒開水，真實(shí)的情況是，鍋內(nèi)的每一點(diǎn)的溫度都不一樣，但我們假定它內(nèi)部的溫度是“平均”上升的，并且每一點(diǎn)的差別都可以忽略。對(duì)這樣的狀態(tài)我們稱之為“準(zhǔn)平衡態(tài)”。C．

近平衡態(tài)在開放度比較小的情況下，系統(tǒng)內(nèi)部的變化也是比較小的。那么什么叫“大”，什么叫“小”呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開放度比較小的時(shí)候，系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)變化是成線性關(guān)系的，而且是穩(wěn)定的。如果開放度進(jìn)一步加大，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，最后出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)，這就叫“耗散結(jié)構(gòu)”。因此，近平衡態(tài)是指系統(tǒng)內(nèi)部滿足線性變化的狀態(tài)。D．

遠(yuǎn)平衡態(tài)與近平衡態(tài)相對(duì)應(yīng)，是指開放度比較大，系統(tǒng)內(nèi)部的線性變化被破壞的狀態(tài)。很顯然，耗散結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的必要條件是系統(tǒng)處于遠(yuǎn)平衡態(tài)。我們所要指出的是，系統(tǒng)處于遠(yuǎn)平衡態(tài)僅僅是耗散結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的必要條件，而不是充分條件，即是說(shuō)遠(yuǎn)離平衡不一定出現(xiàn)有序結(jié)構(gòu)。這就像生命的出現(xiàn)還必須有很多其它條件同時(shí)具備才能出現(xiàn)一樣。E漲落在所有的宏觀運(yùn)動(dòng)中都存在一定的與宏觀軌跡的偏離，比如，火車運(yùn)行中的顛簸；室內(nèi)溫度在任何瞬間都存在不停的跳動(dòng)；人的大腦中總是不停的出現(xiàn)各種偏離正常思維的想象等等。在耗散結(jié)構(gòu)理論中，這種微小的偏差就叫做漲落。F耦合耦合是指復(fù)雜系統(tǒng)中在開放條件下，很多復(fù)雜因素共同加強(qiáng)或削弱某一因素的行為就叫“耦合”。如：“墻倒眾人推”，“成功一勃焉，失敗一忽焉”就是一種耦合現(xiàn)象。復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更迭就是因?yàn)殚_放系統(tǒng)具有“耦合”功能，它可以共同加強(qiáng)微小漲落，最后使之成長(zhǎng)為“巨漲落”，從而“改朝換代”形成新的結(jié)構(gòu)。②耗散結(jié)構(gòu)基本觀點(diǎn)開放系統(tǒng)是產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的前提條件熵:物質(zhì)微觀熱運(yùn)動(dòng)時(shí)，混亂程度的標(biāo)志,表征物質(zhì)狀態(tài)的參量之一

熵產(chǎn)生熱力學(xué)第二定律:熱量總是從高溫物體傳到低溫物體，不可能作相反的傳遞而不引起其他的變化；功可以全部轉(zhuǎn)化為熱，但任何熱機(jī)不能全部地、連續(xù)不斷地把所接受的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ礋o(wú)法制造第二類永動(dòng)機(jī)）；在孤立系統(tǒng)中,實(shí)際發(fā)生的過(guò)程,總使整個(gè)系統(tǒng)的熵值增大，此即熵增原理。熵流.非平衡是有序之源一個(gè)開放系統(tǒng)并不一定出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)，只有系統(tǒng)在“遠(yuǎn)離平衡態(tài)”的條件下，才有可能出現(xiàn)。.非線性是產(chǎn)生有序結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ).漲落導(dǎo)致有序(2)協(xié)同學(xué)①創(chuàng)立:20世紀(jì)70年代后期由原西德理論物理學(xué)家哈肯(Haken)創(chuàng)立。②研究?jī)?nèi)容：各種不同系統(tǒng)在一定外部條件下，系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間通過(guò)非線性相互作用產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使系統(tǒng)從混沌無(wú)序狀態(tài)向有序狀態(tài)，從低級(jí)有序狀態(tài)向高級(jí)有序狀態(tài)，以及從有序狀態(tài)向混沌狀態(tài)轉(zhuǎn)化的機(jī)理和共同規(guī)律。哈肯認(rèn)為：從無(wú)序到有序的關(guān)鍵不在平衡、非平衡或者離平衡態(tài)有多遠(yuǎn)，關(guān)鍵在于組成系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間的非線性作用、相互協(xié)同和合作，自發(fā)產(chǎn)生一種有序結(jié)構(gòu)，在一定條件下，系統(tǒng)有序化的出現(xiàn)是不可避免的。協(xié)同學(xué)著重研究系統(tǒng)中各元素間的合作，不僅研究開放系統(tǒng)從無(wú)序到有序的演化規(guī)律，而且也研究其從有序到無(wú)序的演化規(guī)律。③協(xié)同學(xué)基本原理.協(xié)同效應(yīng)原理：系統(tǒng)的有序性是由系統(tǒng)要素的協(xié)同作用形成的，協(xié)同作用是任何復(fù)雜系統(tǒng)本身所固有的自組織能力，是形成系統(tǒng)有序結(jié)構(gòu)的內(nèi)部作用力。.自組織原理:系統(tǒng)在沒有外部指令的條件下,其內(nèi)部子系統(tǒng)之間能夠按照某種規(guī)則自動(dòng)形成一定的結(jié)構(gòu)或功能,在外部能量和物質(zhì)輸入情況下,在大量子系統(tǒng)的協(xié)同作用下,形成新的時(shí)空結(jié)構(gòu)。.支配原理:協(xié)同系統(tǒng)的狀態(tài)由一組狀態(tài)參量來(lái)描述。這些狀態(tài)參量隨時(shí)間變化的快慢程度是不相同的。當(dāng)系統(tǒng)逐漸接近于發(fā)生顯著質(zhì)變的臨界點(diǎn)時(shí)，變化慢的狀態(tài)參量的數(shù)目就會(huì)越來(lái)越少，有時(shí)甚至只有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)。這些為數(shù)不多的慢變化參量就完全確定了系統(tǒng)的宏觀行為并表征系統(tǒng)的有序化程度，故稱序參量。那些為數(shù)眾多的變化快的狀態(tài)參量就由序參量支配，并可絕熱地將他們消去。這一結(jié)論稱為支配原理，它是協(xié)同學(xué)的基本原理。序參量隨時(shí)間變化所遵從的非線性方程稱為序參量的演化方程，是協(xié)同學(xué)的基本方程。當(dāng)流速低于第一臨界值時(shí)是一種均勻?qū)恿鳎划?dāng)流速高于第一臨界值時(shí)，便出現(xiàn)靜態(tài)花樣，形成一對(duì)旋渦；若再進(jìn)一步提高流速便其高于第二臨界值時(shí)，就呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)花樣。④協(xié)同學(xué)與耗散結(jié)構(gòu)理論及一般系統(tǒng)論比較一般系統(tǒng)論提出了有序性、目的性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系，但沒有回答形成這種穩(wěn)定性的具體機(jī)制。耗散結(jié)構(gòu)理論則從另一個(gè)側(cè)面解決了這個(gè)問(wèn)題，指出非平衡態(tài)可成為有序之源。

協(xié)同學(xué)雖然也來(lái)源于非平衡態(tài)系統(tǒng)有序結(jié)構(gòu)的研究，但它擺脫了經(jīng)典熱力學(xué)的限制，進(jìn)一步明確了系統(tǒng)穩(wěn)定性和目的性的具體機(jī)制。協(xié)同學(xué)的概念和方法為建立系統(tǒng)學(xué)奠定了初步的基礎(chǔ)。

（3）突變理論①創(chuàng)立：1972年，法國(guó)數(shù)學(xué)家內(nèi).托姆(ReneThon)創(chuàng)立的?！督Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和形態(tài)形成學(xué)》②內(nèi)容：從定量的角度研究各種事物的不連續(xù)變化，并試圖用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。漸變：事物連續(xù)穩(wěn)定的變化，可以用微分方程來(lái)描述。例如，地球繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，有規(guī)律地周而復(fù)始地連續(xù)不斷進(jìn)行，使人能及其精確地預(yù)測(cè)未來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這就需要運(yùn)用經(jīng)典的微積分來(lái)描述。

突變：事物巨大、激烈的變化，在短時(shí)間內(nèi)完成的變化過(guò)程。例如：火山爆發(fā)，某地突然地震，房屋突然倒塌，病人突然死亡。③突變論的觀點(diǎn).穩(wěn)定機(jī)制是事物的普遍特征之一，事物的發(fā)展變化是穩(wěn)定態(tài)與非穩(wěn)定態(tài)交互運(yùn)行的過(guò)程。.質(zhì)變可以通過(guò)漸變和突變來(lái)實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是質(zhì)變的中間過(guò)渡態(tài)是不是穩(wěn)定的。.在一種穩(wěn)態(tài)中的變化屬于量變,在兩種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定態(tài)中的變化或在穩(wěn)定態(tài)和不穩(wěn)定態(tài)之間的變化則是質(zhì)變,量變必然體現(xiàn)為漸變,而突變必然導(dǎo)致質(zhì)變。.解決問(wèn)題的方法:對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與不穩(wěn)定現(xiàn)象，突變理論用勢(shì)函數(shù)的洼存在表示穩(wěn)定，用洼取消表示不穩(wěn)定，并有自己的一套運(yùn)算方法。例如，一個(gè)小球在洼底部時(shí)是穩(wěn)定的，如果把它放在突起頂端時(shí)是不穩(wěn)定的，小球就會(huì)從頂端處，不穩(wěn)定滾下去，往新洼地過(guò)渡，事物就發(fā)生突變；當(dāng)小球在新洼地底處，又開始新的穩(wěn)定，所以勢(shì)函數(shù)的洼存在與消失是判斷事物的穩(wěn)定性與不穩(wěn)定性、漸變與突變過(guò)程的根據(jù)。

.七種基本突變模型折疊型111/3x3+ax尖頂型121/4x4+1/2ax2+bx燕尾型131/5x5+1/3ax3+1/2bx2+cx蝴蝶型141/6x6+1/4ax4+1/3bx3+1/2cx2+dx雙曲型23x3+y3+ax+by+cxy橢圓型23x3-xy2+ax+by+cx2+cy2拋物型24x2y+y4+ax+by+cx2+dy2類型狀態(tài)變量個(gè)數(shù)控制變量個(gè)數(shù)

勢(shì)函數(shù)1.4系統(tǒng)工程理論基礎(chǔ)★運(yùn)籌學(xué)、一般系統(tǒng)論、控制論、信息論、耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)及突變論等是系統(tǒng)理論的重要內(nèi)容和SE的理論基礎(chǔ)。一般系統(tǒng)論、控制論、信息論稱為老三論。耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)及突變論稱為新三論