系统工程理论基础

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1、系统工程哈尔滨工业大学管理学院张庆普zzqp2000@126.com7/14/20211第二章系统工程理论基础2.1系统科学的学科体系钱学森提出现代科学技术的体系结构首先是工程技术这一层次，其次是直接为工程技术提供理论基础的技术科学这一层次，然后是基础科学这一层次，最后通过进一步综合、提炼达到最高概括的马克思主义哲学，如图2—1所示。钱学森又提出系统科学的体系结构,如图2—2所示。7/14/202127/14/202137/14/20214图2—2系统科学的体系系统学（系统理论）主要研究系统的普遍属性和运动规律。即研究系统演化、转

2、化、协同和控制的一般规律；研究系统间复杂关系的形成规律，结构和功能的关系，有序、无序状态的形成规律等。系统工程把自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等，根据总体协调的需要，有机地联系起来；应用定性和定量分析相结合的方法和计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析和设计，以实现系统的综合最优化。7/14/202152.2系统工程的理论基础系统工程宽广的理论基础及工具框架如图2一3所示。图2一3系统工程理论基础及工具7/14/20216控制论“控制论是以研究各种系统共同存在的控制规律

3、为对象的一门科学。”控制论的产生与发展维纳（NorbertWiener）于1948年出版了《控制论》一书，他对控制论（Cybernetics）的定义是：“关于动物和机器中控制和通信的科学。”维纳的控制论阐述了两个根本观念：7/14/20217①一切有生命、无生命系统都是信息系统。无论是机器还是生物，都存在着对信息进行接收、存取和加工的过程。②一切有生命、无生命系统都是控制系统。一个系统一定有它的特定输出功能，必须有相应的一套控制机制。控制论的发展经历了三个时期.从20世纪40年代末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。控制论

4、发展的第二个时期为20世纪60年代，即现代控制理论时期。20世纪70年代以后是第三个时期，即大系统控制理论时期。7/14/20218控制论的基本概念和分类控制系统的构成:由施控器、受控器和控制作用的传递者三个部分所组成。图2一4闭环控制系统框图7/14/20219控制系统的分为开环控制系统和闭环控制系统1.开环控制系统：由系统的输入直接控制着它的输出的，没有反馈回路，对环境的适应能力差，只有当外界干扰较小或干扰恒定时，这种控制系统才能正常发挥作用。2.闭环控制系统：具有反馈回路的控制系统。输出由输入和输出的回输共同控制，对环境有较

5、大的适应性。与开环系统相比，它不仅多了一条把输出回输到原来的控制器的反馈回路及反馈装置，还多了一个比较器，如图2-4所示。7/14/202110控制论重点研究带有反馈回路的闭环控制系统。控制论首要的观点是反馈。正反馈与负反馈：如果输出反馈回来放大了输入变化导致的偏差，这就是正反馈；如果输出反馈回来弱化了输入变化导致的偏差，这就是负反馈。正反馈的作用是用来放大某种作用或效应；负反馈的作用是保持系统行为的稳定，使系统的行为方向趋向一个目标。机器和生物一般都通过负反馈来达到控制目的。负反馈是系统稳定的基本机制。7/14/202111控制

6、论的另一个重要观点是信息。控制系统是通过信息的传输、变换和反馈来实现控制的。控制论对系统工程方法论的启示黑箱一灰箱一白箱法所有的科学问题都是作为“闭盒”（黑箱）问题开始的，研究途径是利用闭盒的输入和输出。7/14/202112黑箱指人们一时无需或无法直接观测其内部结构,只能从外部的输入和输出去认识的系统。白箱指系统内部的构成十分清楚的系统。灰箱指介于两者之间的系统称。黑箱方法：就是采用不打开系统“活体”，通过系统的输入和输出关系的研究，去认识和把握系统的功能特性，探索其结构和机理的研究方法。任何时候，人们总得采用不打开黑箱的方法研

7、究事物，解决问题。7/14/202113灰箱方法则指对系统有部分的认识，但不够完全。利用灰箱方法可以比黑箱方法更容易解决问题，这方面的知识可以参考灰色系统理论的有关书籍。功能模拟法以功能和行为的相似性为基础，用模型模仿原型的功能和行为的一种方法。如早期的计算机就是从模拟人的计算功能开始的，是一个成功的例子。又如对苍蝇复眼功能的模拟，造出蝇眼式照相机。它们的构造物质截然不同，但达到了功能上的模拟。这种方法实际上是把研究对象作为一种黑箱。7/14/202114信息论信息论的产生与发展于20世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家

8、申农和维纳。狭义信息论：即申农信息论。主要研究消息的信息量、信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。一般信息论：主要研究通信问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。广义信息论：包括前两项的研究内容，还包括所有与信息有关的