系統(tǒng)論、控制論和信息論

一、系統(tǒng)論

亞里斯多德說過“整體大于部分之和”。但作為現(xiàn)代系統(tǒng)論的基本思想最初產(chǎn)生于本世紀20年代初由奧地利生物學家貝朗塔菲（L.Von.Bertalanffy）提出的，強調(diào)生命現(xiàn)象不能用機械論觀點，而只能把它看作一個整體或系統(tǒng)來加以考察。1948年，貝朗塔菲發(fā)表了《生命問題》該書標志著系統(tǒng)論的正式誕生。1968年，他又發(fā)表了《一般系統(tǒng)理論——基礎(chǔ)發(fā)展與應(yīng)用》。成為系統(tǒng)論的代表著作。第一頁，共40頁。機械論的錯誤貝塔朗菲認為機械論的觀點主要錯誤是：1、簡單相加的觀點，即把有機體分解為各要素，并采用簡單地相加來說明有機體的屬性；2、機械觀點，即把生命現(xiàn)象簡單地比作機器；3、被動反映的觀點，即把有機體看作只有受到刺激時才能反映。第二頁，共40頁。生物機體論生物機體論主要觀點：1、系統(tǒng)觀點，即有機體都是一個系統(tǒng)，并把系統(tǒng)定義為相互作用的諸要素的復合體；2、動態(tài)觀點，即生命機體是一個能保持動態(tài)穩(wěn)定的系統(tǒng)；生命過程是生物體和環(huán)境的相互作用?；畹臇|西的基本特征是組織。處于積極的活動狀態(tài)，3、等級觀念，即有機體是按等級組織起來的，生物系統(tǒng)是分等級的，從活的分子到多細胞個體，再到超個體的聚合體，可謂層次分明，等級森嚴。第三頁，共40頁。1、系統(tǒng)的基本概念

系統(tǒng)——有相互作用的元素的綜合體。要素——系統(tǒng)中原子系統(tǒng)即基本組成部分。結(jié)構(gòu)——是系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間相互聯(lián)系和相互作用的方式。它表現(xiàn)為各要素在時間和空間上的組合形式。功能——是系統(tǒng)在與外部環(huán)境相互聯(lián)系和相互作用過程中所具有的行為、能力和功效。是系統(tǒng)對外的表現(xiàn)。第四頁，共40頁。2、系統(tǒng)基本特征系統(tǒng)論認為，整體性、關(guān)聯(lián)性，等級結(jié)構(gòu)性、動態(tài)平衡性、時序性等是所有系統(tǒng)的共同的基本特征。系統(tǒng)論顯然把那些不具備這些屬性的集合體不看成系統(tǒng)。常常把一團散沙和系統(tǒng)相對立。第五頁，共40頁。整體性和相關(guān)性系統(tǒng)是由若干部分組成，各部分之間有機的聯(lián)系的復雜程度是系統(tǒng)的主要特征。構(gòu)成系統(tǒng)的各個部分可以具有不同的功能，但系統(tǒng)的整體功能往往不是各部分功能的簡單組合。子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)越強，系統(tǒng)的整體功能功能就越顯示出與部分功能的組合不同。1+1=2;1+1<2;1+1>2第六頁，共40頁。系統(tǒng)與要素關(guān)系⑴整體的性質(zhì)不一定是要素具備的。如H2O的性質(zhì)與H或O都不同。⑵要素的性質(zhì)影響整體。如一臺機器中，一個部件出錯，機器就會不正常。⑶要素性質(zhì)之間相互影響。改變要素間的相互作用是改變系統(tǒng)性質(zhì)的方法之一。第七頁，共40頁。例②拿破侖說數(shù)量小時較多數(shù)法國人不敵少數(shù)馬克留木人，數(shù)量大時較少法國人可以戰(zhàn)勝較多數(shù)馬克留木人。③人們常說"三個臭皮匠等于一個諸葛亮"。④上網(wǎng)游戲、吸毒、賭博等往往是哥兒們相互影響上隱的。⑤"三個和尚沒水吃"，其原因是他們的能量消耗在內(nèi)耗上。①鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度就大于鋼筋、水泥、沙石的強度之和。第八頁，共40頁。功能和目的性大多數(shù)系統(tǒng)的活動或行為可以完成一定的功能，但不一定所有系統(tǒng)都有目的，例如太陽系或某些生物系統(tǒng)。一個水桶具有儲水的功能，但它沒有思維，本身沒有目的。動物的行為有一定的目的性，但主要就是為了筧食存活。人類具有思想，行為的目的性明顯增強?？梢娸^為高級的系統(tǒng)才有目的性。人造系統(tǒng)或復合系統(tǒng)都是根據(jù)系統(tǒng)的目的來設(shè)定其功能的。第九頁，共40頁。結(jié)構(gòu)與功能⑴要素不變時，結(jié)構(gòu)決定功能。如種類無數(shù)的有機物幾乎都主要是碳、氫、氧、氮組成。常常是組成結(jié)構(gòu)不同。又如電子元件不同的組合可以形成各種家電。（反過來，結(jié)構(gòu)相同，要素不同，功能不同）⑵結(jié)構(gòu)、要素都不同則可以有相同的功能。如人腦系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)在部分功能上相似。利用這一原則，可以設(shè)計各種仿真系統(tǒng)。⑶同一結(jié)構(gòu)可能有多種功能。如一付中藥可能有多種療效。第十頁，共40頁。環(huán)境適應(yīng)性一個系統(tǒng)和包圍該系統(tǒng)的環(huán)境之間通常都有物質(zhì)、能量和信息的交換，外界環(huán)境的變化會引起系統(tǒng)特性的改變，相應(yīng)地引起系統(tǒng)內(nèi)各部分相互關(guān)系和功能的變化。為了保特和恢復系統(tǒng)原有特性，系統(tǒng)必須具有對環(huán)境的適應(yīng)能力，例如反饋系統(tǒng)、自適應(yīng)系統(tǒng)和自學習系統(tǒng)等。不同的系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境的能力是不同的，但也不是非常高級的系統(tǒng)才有適應(yīng)能力。第十一頁，共40頁。有序性、層次性和等級高級的復雜的系統(tǒng)不僅是有序的，而且往往具有復雜的層次結(jié)構(gòu)和很高的目的性。一般系統(tǒng)論的一個重要成果是把生物和生命現(xiàn)象的有序性和目的性同系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性聯(lián)系起來。行政系統(tǒng)分為科、處、局、部、委…；軍事系統(tǒng)分為排、連、營、團、師、軍…，表現(xiàn)出系統(tǒng)的層次性。根據(jù)系統(tǒng)層次的有序程度和目的性程度可以劃分不同的等級。一般來說，結(jié)構(gòu)層次復雜有序，目的性很強，則系統(tǒng)等級就高。比如說人比動物等級高級，就在于人因獲取信息處理信息的能力比動物強了多，則人的目的性遠遠比動物強。第十二頁，共40頁。系統(tǒng)劃分按組成要素的性質(zhì)（按人類干預的情況）分：自然系統(tǒng)——原始的系統(tǒng)都是自然系統(tǒng)，如天體、海洋、生態(tài)系統(tǒng)等。又如呼喚系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等。人造系統(tǒng)——如人造衛(wèi)星、海運船只、機械設(shè)備等。又如：交通系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、教育系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、文藝系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)、社會系統(tǒng)等等。復合系統(tǒng)——既包含人造系統(tǒng)又包含自然系統(tǒng)。系統(tǒng)工程所研究的對象大多復合系統(tǒng)。第十三頁，共40頁。按系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系分：開放系統(tǒng)：物質(zhì)、能量和信息都有交換。有活力有生命的系統(tǒng)如：商業(yè)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)或生態(tài)系統(tǒng)，都是開放系統(tǒng)。只有開放系統(tǒng)才有可能在環(huán)境發(fā)生變化時，開放系統(tǒng)通過系統(tǒng)中要素與環(huán)境的交互作用以及系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)達到某一穩(wěn)定狀態(tài)。但并不是說開放系統(tǒng)都是進化的。封閉系統(tǒng)：沒有物質(zhì)的交換，但有能量和信息的交換。如密閉罐中的物體。孤立系統(tǒng)：則沒有任何交換。理論和實踐證明它是退化系統(tǒng)。第十四頁，共40頁。按系統(tǒng)的規(guī)模分：小型系統(tǒng)、中型系統(tǒng)、大型系統(tǒng)和巨型系統(tǒng)。按學科領(lǐng)域分：自然系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和思維系統(tǒng)。按狀態(tài)劃分：有靜態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)。還有平衡系統(tǒng)、非平衡系統(tǒng)、近平衡系統(tǒng)、遠平衡系統(tǒng)等等。還有：實體系統(tǒng)和抽象(概念)系統(tǒng)；宏觀系統(tǒng)、微觀系統(tǒng)。第十五頁，共40頁。3、系統(tǒng)方法系統(tǒng)論思想觀點，也是系統(tǒng)方法的基本原則，具有科學方法論的含義，這正是系統(tǒng)論這門科學的特點。貝塔朗菲對此曾作過說明，英語SystemApproach直譯為系統(tǒng)方法，也可譯成系統(tǒng)論，因為它既可代表概念、觀點、模型，又可表示數(shù)學方法。系統(tǒng)方法應(yīng)用于工程產(chǎn)生了系統(tǒng)工程。第十六頁，共40頁。系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程——是從整體出發(fā)合理開發(fā)、設(shè)計、實施和運用系統(tǒng)科學的工程技術(shù)。根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要，綜合應(yīng)用自然科學和社會科學中有關(guān)的思想、理論和方法，利用電子計算機作為工具，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、要素、信息和反饋等進行分析，以達到最優(yōu)規(guī)劃、最優(yōu)設(shè)計、最優(yōu)管理和最優(yōu)控制的目的。1957年古德和邁克爾出版了《系統(tǒng)工程學》標志了它的誕生。第十七頁，共40頁。霍爾

三維結(jié)構(gòu)邏輯維步驟問題形成時間維知識維目標選擇系統(tǒng)綜合系統(tǒng)分析最優(yōu)化決策實施計劃規(guī)劃

計劃

研制

生產(chǎn)

安裝

更新

運行

社會科學法律工程管理醫(yī)學環(huán)境教育第十八頁，共40頁。都江堰2200年前，中國古代的都江堰是運用系統(tǒng)工程的成功的范例。它主要由三項主體工程：“魚嘴”岷江分水工程、“飛沙堰”分洪排沙工程、“寶瓶口”工程以及120個附屬工程巧妙合成。其中每一部分都是不可缺的。都江堰水利工程在四川都江堰市城西第十九頁，共40頁。地圖第二十頁，共40頁。照片弧灌溉排洪“魚嘴”分水提把岷江水一分為二“飛沙堰”溢洪道“寶瓶口”引水口第二十一頁，共40頁。最優(yōu)化問題運用系統(tǒng)論討論問題往往是為最好的實現(xiàn)目標。方法是通過改變要素和結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)功能最佳。如田忌賽馬的故事；戰(zhàn)爭時的布陣；材料的人工設(shè)計等。運籌學、決策論主要就是討論優(yōu)化問題。1950年美國的莫爾斯和基博爾出版《運籌學方法》，標志著運籌學的誕生。第二十二頁，共40頁。二、控制論控制論是自動控制、通訊技術(shù)、計算機科學、數(shù)理邏輯、神經(jīng)生理學、統(tǒng)計力學、行為科學等多種科學技術(shù)相互滲透形成的一門橫斷性學科。1948年美國數(shù)學家維納出版了《控制論》一書，標志著控制論的正式誕生。控制論一詞Cybernetics，來自希臘語，愿意為掌舵術(shù)，包含了調(diào)節(jié)、操縱、管理、指揮、監(jiān)督等多方面的涵義。第二十三頁，共40頁?？刂频母拍羁刂啤獮榱恕纳啤硞€或某些對象的功能，需要獲得并使用信息，以這種信息為基礎(chǔ)而選出的加于該對象的作用。

控制對象存在著多種發(fā)展的可能性，因而控制實質(zhì)上意味著在事物發(fā)展的可能性空間中進行有方向性的選擇，所以控制作用是帶目的性的能動作用。第二十四頁，共40頁。系統(tǒng)的行為和目的行為——系統(tǒng)在外界環(huán)境作用（輸入）下所作的反應(yīng)（輸出）。生物系統(tǒng)的目的性行為是指外界環(huán)境的改變對生物體的刺激對生物系統(tǒng)來說就是一種信息輸入，生物體對這種刺激的反應(yīng)對生物系統(tǒng)來說就是信息的輸出。推而廣之，控制論認為任何系統(tǒng)要保持或達到一定目標，就必須具有一定的反饋行為。第二十五頁，共40頁。反饋反饋——系統(tǒng)輸出信息返回輸入端，經(jīng)處理，再對系統(tǒng)輸出施加影響的過程。正反饋——反饋信息與原信息起相同的作用，使總輸入增大。系統(tǒng)目標偏離。加劇系統(tǒng)不穩(wěn)定。負反饋——反饋信息與原信息起相反的作用，使總輸入減小。系統(tǒng)目標偏離減小。系統(tǒng)穩(wěn)定。負反饋是控制論的核心問題。第二十六頁，共40頁。閉環(huán)控制系統(tǒng)一般控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖：第二十七頁，共40頁。系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定性定義：當一個實際的系統(tǒng)處于一個平衡的狀態(tài)時，如果受到外來作用的影響時，系統(tǒng)經(jīng)過一個過渡過程仍然能夠回到原來的平衡狀態(tài)，我們稱這個系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，否則稱系統(tǒng)不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的一個基本要求，反饋對系統(tǒng)的控制和穩(wěn)定起著決定性的作用，無論是生物體保持自身的動態(tài)平穩(wěn)（如溫度、血壓的穩(wěn)定），或是機器自動保持自身功能的穩(wěn)定，都是通過反饋機制實現(xiàn)的。第二十八頁，共40頁?？刂葡到y(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)第一，傳感器。檢測比較裝置。作用主要是獲得反饋。第二，控制器。作用是用來決定應(yīng)該怎樣做。第三，執(zhí)行器。作用是完成控制器下達的決定。第四，控制量。這是我們自動化機器所要達到的最終目的。第二十九頁，共40頁。例人工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖人手控制機器控制第三十頁，共40頁?？刂屏俊芸貙ο笏^受控對象是指在一個控制系統(tǒng)中被控制的事物或生產(chǎn)過程,比如發(fā)電機的端電壓，火炮的角度和方向,鍋爐氣包溫度等等。在設(shè)計和分析一個控制系統(tǒng)時，了解控制對象的特性是非常重要的。因為，如果對象的特性不一樣，其所需要的控制策略也會大相徑庭的,最終控制效果也大不相同。第三十一頁，共40頁?？刂普搼?yīng)用|導彈技術(shù)第三十二頁，共40頁。三、信息論1948年申農(nóng)發(fā)表的《通訊的數(shù)學理論》一文，成為信息論誕生的標志。申農(nóng)為解決通訊技術(shù)中的信息編碼問題，把發(fā)射信息和接收信息作為一個整體的通訊過程來研究，提出發(fā)通訊系統(tǒng)的一般模型；同時建立了信息量的統(tǒng)計公式，奠定了信息論的理論基礎(chǔ)。信息論的創(chuàng)始人是美貝爾電話研究所的數(shù)學家申農(nóng)（C.E.Shannon1916——），第三十三頁，共40頁。一般通信系統(tǒng)模型信源編碼譯碼信宿噪聲消息消息+噪聲消息第三十四頁，共40頁。信息的定義就本體論意義而言，信息是標志事物存在及其關(guān)系的屬性。這樣的描述難以將信息定量化。就認識論意義而言，信息是認識主體接收到的、可以消除對事物認識不確定性的新內(nèi)容和新知識。因此申農(nóng)是從根據(jù)這一點給出了信息量的數(shù)學形式。第三十五頁，共40頁。信息量數(shù)學公式申農(nóng)的公式：H(x)=ΣP(xi)h(xi)=－ΣP(xi)·log2P(xi)其中：H（x）表示信息量，P(xi)表示某狀態(tài)xi不確定的概率，h(xi)=—log2P(xi)，表示某狀態(tài)xi的不定性數(shù)量或所含的信息量。若P(xi)=1，則h(xi)=0；若P(xi)=0，則h(xi)=∞；當ｎ=2，且P1=P2=1/2時，H(x)=1比特。因此可見一個等幾率的二中擇一的事件具有1比特的不定性或信息量。第三十六頁，共40頁。信息與熵關(guān)系信息