第二章系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本理論

1、第二章第二章 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本理論系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本理論1 系統(tǒng)系統(tǒng) 系統(tǒng)的系統(tǒng)的概念：一個(gè)由相互區(qū)別、相互作用概念：一個(gè)由相互區(qū)別、相互作用的各個(gè)部分有機(jī)地聯(lián)結(jié)一起，為同一目的而完成的各個(gè)部分有機(jī)地聯(lián)結(jié)一起，為同一目的而完成某種功能的集合體。某種功能的集合體。 系統(tǒng)包含物質(zhì)、信息和運(yùn)動(dòng)三部分。系統(tǒng)包含物質(zhì)、信息和運(yùn)動(dòng)三部分。 SD所研究的范圍可大可小，其種類可分為：所研究的范圍可大可小，其種類可分為： 天然的或人工的，社會(huì)的或工程的，經(jīng)濟(jì)的或政天然的或人工的，社會(huì)的或工程的，經(jīng)濟(jì)的或政治的，心理學(xué)的、醫(yī)學(xué)的或生態(tài)的等。治的，心理學(xué)的、醫(yī)學(xué)的或生態(tài)的等。 在我們周圍系統(tǒng)比比皆是：電氣的、機(jī)械在我

2、們周圍系統(tǒng)比比皆是：電氣的、機(jī)械的、熱力學(xué)的、生物學(xué)的、社會(huì)的、經(jīng)濟(jì)的等等：的、熱力學(xué)的、生物學(xué)的、社會(huì)的、經(jīng)濟(jì)的等等：（1）天體運(yùn)行系統(tǒng)：宇宙空間問題；）天體運(yùn)行系統(tǒng)：宇宙空間問題；（2）世界或國家的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)：資源、）世界或國家的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)：資源、能源、人口、糧食、資產(chǎn)與工業(yè)化以及污染問題；能源、人口、糧食、資產(chǎn)與工業(yè)化以及污染問題；（3）城鎮(zhèn)系統(tǒng)：企業(yè)建設(shè)、人口、就業(yè)、交通、）城鎮(zhèn)系統(tǒng)：企業(yè)建設(shè)、人口、就業(yè)、交通、住房與社會(huì)福利；住房與社會(huì)福利；（4）企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)：銷售產(chǎn)品、維持庫存、）企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)：銷售產(chǎn)品、維持庫存、雇用與辭退工人；雇用與辭退工人；（5）航

3、天飛行器、飛機(jī)、船舶、汽車系統(tǒng)：有駕）航天飛行器、飛機(jī)、船舶、汽車系統(tǒng)：有駕駛員的機(jī)械、電子、液壓設(shè)備；駛員的機(jī)械、電子、液壓設(shè)備；（6）房屋的供暖空調(diào)系統(tǒng)；）房屋的供暖空調(diào)系統(tǒng)；（7）供氧生理系統(tǒng)：動(dòng)物的心臟、肺、血液循環(huán)）供氧生理系統(tǒng)：動(dòng)物的心臟、肺、血液循環(huán)2 反饋反饋 反饋反饋，是指系統(tǒng)輸出與來自外部環(huán)境的輸入的，是指系統(tǒng)輸出與來自外部環(huán)境的輸入的關(guān)系，亦即信息的傳輸與回授。關(guān)系，亦即信息的傳輸與回授。 反饋可以分為反饋可以分為正反饋正反饋和和負(fù)反饋負(fù)反饋兩種。兩種。 如果事件如果事件A（原因）引起事件（原因）引起事件B（結(jié)果），（結(jié)果），AB簡簡便形成因果關(guān)系（便形成因果關(guān)系（因果鏈

4、因果鏈）。）。 若若A增加引起增加引起B(yǎng)增加，稱增加，稱AB構(gòu)成構(gòu)成正因果關(guān)系（正正因果關(guān)系（正因果鏈）因果鏈）；若；若A增加引起增加引起B(yǎng)減少，則成減少，則成負(fù)因果關(guān)系負(fù)因果關(guān)系（負(fù)因果鏈）（負(fù)因果鏈）。 因果鏈極性的判斷原則：因果鏈極性的判斷原則：（1）正因果鏈：）正因果鏈：AB 若若A增加使增加使B也增加，或若也增加，或若A減少使減少使B也減少；也減少；若若A的變化使的變化使B在同一方向上發(fā)生變化；在同一方向上發(fā)生變化；（2）負(fù)因果鏈：）負(fù)因果鏈：AB 若若A的增加使的增加使B減少，或減少，或A的減少使的減少使B增加；增加；若若A的變化使的變化使B在相反方向上發(fā)生變化。在相反方向上發(fā)生變

5、化。 正反饋的特點(diǎn)：正反饋的特點(diǎn)： 能產(chǎn)生自身運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)過程，在此過能產(chǎn)生自身運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)過程，在此過程中運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作所引起的后果將回授，使程中運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作所引起的后果將回授，使原來的趨勢(shì)得到加強(qiáng)；原來的趨勢(shì)得到加強(qiáng)； 負(fù)反饋的特點(diǎn)：負(fù)反饋的特點(diǎn)： 能自動(dòng)尋求給定的目標(biāo)，未達(dá)到（或能自動(dòng)尋求給定的目標(biāo)，未達(dá)到（或者未趨近）目標(biāo)時(shí)將不斷作出響應(yīng)。者未趨近）目標(biāo)時(shí)將不斷作出響應(yīng)。3 反饋回路反饋回路 反饋回路反饋回路，就是由一系列的因果與相互作用鏈，就是由一系列的因果與相互作用鏈組成的閉合回路或者說是由信息與動(dòng)作構(gòu)成的閉組成的閉合回路或者說是由信息與動(dòng)作構(gòu)成的閉合回路。合回路。 正反饋回路正反饋回路，是

6、具有正反饋特性的回路。，是具有正反饋特性的回路。 負(fù)反饋回路負(fù)反饋回路，是具有負(fù)反饋特性的回路（或，是具有負(fù)反饋特性的回路（或稱尋的回路、穩(wěn)定回路、平衡回路、自校正回稱尋的回路、穩(wěn)定回路、平衡回路、自校正回路）。路）。（a）工資）工資物價(jià)系統(tǒng)物價(jià)系統(tǒng) (b) 人口系統(tǒng)人口系統(tǒng)圖圖1.1 正反饋回路（系統(tǒng)）正反饋回路（系統(tǒng)）工資工資要求物價(jià)物價(jià)所受壓力+出生人口總?cè)丝? （a）恒溫系統(tǒng)）恒溫系統(tǒng) (b) 庫存庫存訂貨控制系統(tǒng)訂貨控制系統(tǒng) 圖圖1.2 負(fù)反饋回路（系統(tǒng)）負(fù)反饋回路（系統(tǒng)）室溫冷卻器加熱器溫度繼電器期望室溫庫存發(fā)貨貨物到達(dá)生產(chǎn)訂貨期望庫存+-+-+ 反饋回路極性的判斷原則：反饋回路極

7、性的判斷原則： 沿著反饋回路繞行一周，看回路中全部因果沿著反饋回路繞行一周，看回路中全部因果鏈的積累效應(yīng)，積累效應(yīng)為正，則為正反饋回路，鏈的積累效應(yīng)，積累效應(yīng)為正，則為正反饋回路，積累效應(yīng)為負(fù)，則為負(fù)反饋回路。積累效應(yīng)為負(fù)，則為負(fù)反饋回路。（1）若反饋回路包含偶數(shù)個(gè)負(fù)的因果鏈，則其極）若反饋回路包含偶數(shù)個(gè)負(fù)的因果鏈，則其極性為正；性為正；（2）若反饋回路包含奇數(shù)個(gè)負(fù)的因果鏈，則其極）若反饋回路包含奇數(shù)個(gè)負(fù)的因果鏈，則其極性為負(fù)。性為負(fù)。 因此，反饋回路的極性取決于回路中因果鏈因此，反饋回路的極性取決于回路中因果鏈符號(hào)的乘積。符號(hào)的乘積。 正反饋回路的特點(diǎn)：正反饋回路的特點(diǎn)： 發(fā)生于回路中任何一

8、處的初始偏離與動(dòng)作循發(fā)生于回路中任何一處的初始偏離與動(dòng)作循回路一周將獲得增大與加強(qiáng)。回路一周將獲得增大與加強(qiáng)。 正反饋回路具有非穩(wěn)定、非平衡、增長和自正反饋回路具有非穩(wěn)定、非平衡、增長和自增強(qiáng)等特性。增強(qiáng)等特性。 正反饋回路可導(dǎo)致良性循環(huán)和惡性循環(huán)。正反饋回路可導(dǎo)致良性循環(huán)和惡性循環(huán)。 負(fù)反饋回路的特點(diǎn)：負(fù)反饋回路的特點(diǎn)： 它力圖縮小系統(tǒng)狀態(tài)相對(duì)于目標(biāo)狀態(tài)（或某它力圖縮小系統(tǒng)狀態(tài)相對(duì)于目標(biāo)狀態(tài)（或某平衡狀態(tài)）的偏離。平衡狀態(tài)）的偏離。 負(fù)反饋回路可導(dǎo)致系統(tǒng)趨于某一目標(biāo)。負(fù)反饋回路可導(dǎo)致系統(tǒng)趨于某一目標(biāo)。反饋回路的舉例緊張憂慮+望而生畏望而生畏 勞累睡眠+- 有勞有逸 速度技巧+ 孰能生巧孰能生

9、巧 困難學(xué)習(xí)+-知難而進(jìn)知難而進(jìn) 練鋼琴的次數(shù)彈奏技巧自我欣賞的次數(shù)+自得其樂自得其樂甜食進(jìn)量我的體重考慮我的體重+- 飲食有度飲食有度 總結(jié)： 正、負(fù)反饋回路（系統(tǒng)）的優(yōu)劣要根正、負(fù)反饋回路（系統(tǒng)）的優(yōu)劣要根據(jù)具體的回路（系統(tǒng)）而定，不能一概而據(jù)具體的回路（系統(tǒng)）而定，不能一概而論。論。4 反饋系統(tǒng)反饋系統(tǒng) 反饋系統(tǒng)反饋系統(tǒng)就是相互聯(lián)結(jié)與作用的一組回路。就是相互聯(lián)結(jié)與作用的一組回路?；蛘哒f反饋系統(tǒng)就是閉環(huán)系統(tǒng)?；蛘哒f反饋系統(tǒng)就是閉環(huán)系統(tǒng)。 單回路的系統(tǒng)是單回路的系統(tǒng)是簡單系統(tǒng)簡單系統(tǒng)。 具有三個(gè)回路以上的系統(tǒng)是具有三個(gè)回路以上的系統(tǒng)是復(fù)雜系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)。 正反饋系統(tǒng)正反饋系統(tǒng)，是正反饋起主導(dǎo)作

10、用的系統(tǒng)。，是正反饋起主導(dǎo)作用的系統(tǒng)。 負(fù)反饋系統(tǒng)負(fù)反饋系統(tǒng)，負(fù)反饋起主動(dòng)作用的系統(tǒng)。，負(fù)反饋起主動(dòng)作用的系統(tǒng)。（尋的系統(tǒng)）（尋的系統(tǒng)） 圖1.3 復(fù)雜系統(tǒng)（簡單的武器裝備競賽系統(tǒng)）EconomicCapacity 1TotalArmament 1armamentspending 1armamentobsolescence 1non armamentspending 1investmentspending 1growth incapacity1targetarmament 1time to correctarmament 1fractionarmamentcapacityused 1indic

11、ated armamentbuilding 1armamentlifetime 1fraction spending toinvestment 1investmenteffectiveness1initialarmament 1initialeconomiccapacity1max capacity toarmament 1capacitydegradation 1capacity lifetime1armamentcapacity 1desiredstrengthratio 1EconomicCapacity 2TotalArmament 2armamentspending 2armamen

12、tobsolescence 2non armamentspending 2investmentspending 2growth incapacity 2targetarmament 2time to correctarmament 2fractionarmamentcapacityused 2indicated armamentbuilding 2armamentlifetime 2fraction spending toinvestment 2investmenteffectiveness 2initialarmament 2initialeconomiccapacity2max capac

13、ity toarmament 2capacitydegradation 2capacity lifetime 2armamentcapacity 2desiredstrengthratio 25 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與描述 從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)看，所謂從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)看，所謂結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)是指單元的秩序。它是指單元的秩序。它包含兩層意思：一是指組成系統(tǒng)的各單元。二是指各單包含兩層意思：一是指組成系統(tǒng)的各單元。二是指各單元間的作用與相互關(guān)系。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)標(biāo)志著系統(tǒng)構(gòu)成的元間的作用與相互關(guān)系。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)標(biāo)志著系統(tǒng)構(gòu)成的特征。特征。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含下述體系與層次：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含下述體系與層次：（1）系統(tǒng)）系統(tǒng)

14、S范圍的界限；范圍的界限；（2）子系統(tǒng)或子結(jié)構(gòu)）子系統(tǒng)或子結(jié)構(gòu)Si(i1，2，p)；（3）系統(tǒng)的基本單元，反饋回路的結(jié)構(gòu)）系統(tǒng)的基本單元，反饋回路的結(jié)構(gòu)Ei（j1,2,m）；）；（4）反饋回路的組成與從屬成分：狀態(tài)變量、速率變量、）反饋回路的組成與從屬成分：狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量等。輔助變量等。 界限界限是指系統(tǒng)的范圍，它規(guī)定了形成某特定動(dòng)態(tài)行為是指系統(tǒng)的范圍，它規(guī)定了形成某特定動(dòng)態(tài)行為所應(yīng)包含的最小數(shù)量的單元。系統(tǒng)內(nèi)為系統(tǒng)的本身，而所應(yīng)包含的最小數(shù)量的單元。系統(tǒng)內(nèi)為系統(tǒng)的本身，而界限外則為與系統(tǒng)有關(guān)的環(huán)境。界限外則為與系統(tǒng)有關(guān)的環(huán)境。 P13 圖圖1.4 系統(tǒng)界限與環(huán)境系統(tǒng)界限與環(huán)境6

15、 SD的圖形表示法的圖形表示法 SD常用的常用的圖形表示法圖形表示法有五種：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有五種：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、因果與相互關(guān)系圖、流圖、混合圖、速框圖、因果與相互關(guān)系圖、流圖、混合圖、速率率狀態(tài)變量關(guān)系圖。狀態(tài)變量關(guān)系圖。1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 就是用方塊或圓圈簡明地代表系統(tǒng)的主要就是用方塊或圓圈簡明地代表系統(tǒng)的主要子塊并描述它們之間物質(zhì)與信息流的交鏈關(guān)系。子塊并描述它們之間物質(zhì)與信息流的交鏈關(guān)系。P38 圖圖1.5 礦區(qū)復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖礦區(qū)復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖資源子系統(tǒng)資源子系統(tǒng)Resource環(huán)境子系統(tǒng)環(huán)境子系統(tǒng)Environment經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)Economy人口子系統(tǒng)人口子系統(tǒng)Po

16、pulation科技子系統(tǒng)科技子系統(tǒng)Science&Technology生存環(huán)境生存環(huán)境生活排放生活排放資源利用資源利用資金投入資金投入空間支持空間支持維護(hù)改善維護(hù)改善科技轉(zhuǎn)換科技轉(zhuǎn)換資金投入資金投入提供資金提供資金發(fā)展提高發(fā)展提高開發(fā)利用開發(fā)利用資源供應(yīng)資源供應(yīng)基礎(chǔ)保障基礎(chǔ)保障工業(yè)排放工業(yè)排放技術(shù)支撐技術(shù)支撐物質(zhì)保障物質(zhì)保障2）因果與相互關(guān)系圖）因果與相互關(guān)系圖 圖圖1.6 簡單的因果與相互關(guān)系圖簡單的因果與相互關(guān)系圖訂貨庫存交貨延遲- 因果與相互關(guān)系圖的組成：因果與相互關(guān)系圖的組成： （1）元素：訂貨、庫存、交貨延遲；）元素：訂貨、庫存、交貨延遲； （2）因果鏈：訂貨）因果鏈：訂貨庫存、庫

17、存庫存、庫存交貨延遲、交貨延遲、交貨延遲交貨延遲訂貨；訂貨； （3）因果鏈的極性：）因果鏈的極性：“”或或“”； （4）反饋回路；）反饋回路； （5）反饋回路的極性：）反饋回路的極性：“”或或“”。生活廢水排生活廢水排放量放量礦 井 水礦 井 水排放量排放量原煤原煤產(chǎn)量產(chǎn)量總投資總投資廢 氣 排廢 氣 排放量放量總?cè)丝诳側(cè)丝谒菟菝娣e面積資 源 開資 源 開發(fā)投資發(fā)投資利稅利稅總額總額矸石矸石總量總量能源燃燒能源燃燒總量總量回采率回采率洗煤量洗煤量儲(chǔ)采比儲(chǔ)采比焦炭焦炭產(chǎn)量產(chǎn)量環(huán)境環(huán)境投資投資其 它 產(chǎn)其 它 產(chǎn)業(yè)投資業(yè)投資工業(yè)工業(yè)儲(chǔ)量儲(chǔ)量可采可采儲(chǔ)量儲(chǔ)量總收總收入入其它產(chǎn)業(yè)其它產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值產(chǎn)值圖

18、圖1. .7 煤炭開發(fā)與利用系統(tǒng)因果與相互關(guān)系圖煤炭開發(fā)與利用系統(tǒng)因果與相互關(guān)系圖資源持續(xù)利資源持續(xù)利用程度用程度+ 3) 流圖流圖 圖圖1.8 流圖及其表示符號(hào)流圖及其表示符號(hào)LEV 狀態(tài)變量IN 輸入率OUT 輸出率 流圖流圖包括：包括： 狀態(tài)變量：狀態(tài)變量：Level 速率變量速率變量: Rate 輔助變量：輔助變量：Auxiliary 源源: Sources 匯（漏或溝）匯（漏或溝）: Sinks 物質(zhì)流：實(shí)線物質(zhì)流：實(shí)線 P43 信息鏈：虛線信息鏈：虛線 P43 源和匯代表系統(tǒng)的環(huán)境，其他代表系源和匯代表系統(tǒng)的環(huán)境，其他代表系統(tǒng)的內(nèi)部。統(tǒng)的內(nèi)部。圖圖1.9 兔子頭數(shù)流圖兔子頭數(shù)流圖為成年兔成年兔兔出生率成熟率兔死亡率 圖圖1.10 系統(tǒng)流圖系統(tǒng)流圖 流圖中的物質(zhì)流用實(shí)線表示，信息流流圖中的物質(zhì)流用實(shí)線表示，信息流用虛線表示。用虛線表示。LEV 狀態(tài)狀態(tài)RT速率速率RTV速率值速率值4) 混合圖混合圖 混合圖混合圖，就是在因果與相互關(guān)系圖中，把狀，就是在因果與相互關(guān)系圖中，把狀態(tài)變量和速率變量按照流圖中的符號(hào)表示出來。態(tài)