系统工程理论基础.ppt

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1、第二章第二章 系统工程理论基础系统工程理论基础2.1 系统科学的学科体系系统科学的学科体系n钱学森提出现代科学技术的体系结构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、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，如图提炼达到最高概括的马克思主义哲学，如图2 21 1所示。钱学森又提出系统科学的体系结构所示。钱学森又提出系统科学的体系结构,如图如图2 22 2所示。所示。3/11

2、/202313/11/20232 3/11/20233 图图2 22 2系统科学的体系系统科学的体系系统学（系统理论）系统学（系统理论）主要研究系统的普遍属性和运动主要研究系统的普遍属性和运动规律。即研究系统演化、转化、协同和控制的一般规规律。即研究系统演化、转化、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。关系，有序、无序状态的形成规律等。系统工程系统工程把自然科学和社会科学的某些思想、理论、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，有机地方法、策略和手段等

3、，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。的综合最优化。3/11/202342.2 2.2 系统工程的理论基础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系统工程宽广的理论基础及工具框架如图2 2一一3 3所示。所示。图图2 2一一3 3系统工程理论基础及工具系统工程理论基础及工具3/11/20235n控制论控

4、制论 “控制论是以控制论是以研究各种系统共同存在的控研究各种系统共同存在的控制规律为对象制规律为对象的一门科学。的一门科学。”l控制论的产生与发展控制论的产生与发展维纳（维纳（Norbert WienerNorbert Wiener）于）于19481948年出版了年出版了控制论控制论一书，他对控制论一书，他对控制论（CyberneticsCybernetics）的定义是：）的定义是：“关于动物和机器中控制和通信的科学。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：维纳的控制论阐述了两个根本观念：3/11/20236一切有生命、无生命系统都是一切有生命、无生命系统都是信息系

5、统信息系统。无论是。无论是机器还是生物，都存在着对信息进行接收、存取机器还是生物，都存在着对信息进行接收、存取和加工的过程。和加工的过程。一切有生命、无生命系统都是一切有生命、无生命系统都是控制系统控制系统。一个系。一个系统一定有它的特定输出功能，必须有相应的一套统一定有它的特定输出功能，必须有相应的一套控制机制。控制机制。控制论的发展经历了控制论的发展经历了三个时期三个时期.从从20世纪世纪40年代年代末到末到50年代是第一个时期，即年代是第一个时期，即经典控制理论经典控制理论时期。时期。控制论发展的第二个时期为控制论发展的第二个时期为20世纪世纪60年代，即年代，即现现代控制理论代控制理论

6、时期。时期。20世纪世纪70年代以后是第三个时年代以后是第三个时期，即期，即大系统控制理论大系统控制理论时期。时期。3/11/20237l控制论的基本概念和分类控制论的基本概念和分类控制系统的构成控制系统的构成:由施控器、受控器和控制作用的传递者由施控器、受控器和控制作用的传递者三个部分所组成。三个部分所组成。图图2一一4 闭环控制系统框图闭环控制系统框图3/11/20238控制系统的分为控制系统的分为开环控制系统开环控制系统和和闭环控制系统闭环控制系统 1.1.开环控制系统：由系统的输入直接控制着它的开环控制系统：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，输出的，没

7、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。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，对环境有较大出由输入和输出的回输共同控制，对环境有较大的适应性。与开环系统相比，它不仅多了一条把的适应性。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，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，如图还多了一个比较器，如图2-4所示。所示。3/11/20239控制论控制论重点重点研

8、究研究带有反馈回路的闭环控制系统带有反馈回路的闭环控制系统。控制论首要的观点是控制论首要的观点是反馈反馈。正反馈与负反馈：如。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。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。方向趋向一个目标。机器和生物一般都通过机器和生物一

9、般都通过负反馈负反馈来达到控制目的。来达到控制目的。负反馈是系统稳定的基本机制负反馈是系统稳定的基本机制。3/11/202310控制论的另一个重要观点是控制论的另一个重要观点是信息信息。控制系控制系统是通过信息的传输、变换和反馈来实现统是通过信息的传输、变换和反馈来实现控制的控制的。l控制论对系统工程方法论的启示控制论对系统工程方法论的启示 黑箱一灰箱一白箱法黑箱一灰箱一白箱法所有的科学问题都是作为所有的科学问题都是作为“闭盒闭盒”（黑箱）（黑箱）问题开始的，研究途径是问题开始的，研究途径是利用闭盒的输入利用闭盒的输入和输出和输出。3/11/202311黑箱黑箱指人们一时无需或无法直接观测其内

10、部结指人们一时无需或无法直接观测其内部结构构,只能从外部的输入和输出去认识的系统。只能从外部的输入和输出去认识的系统。白白箱箱指系统内部的构成十分清楚的系统。指系统内部的构成十分清楚的系统。灰箱灰箱指指介于两者之间的系统称。介于两者之间的系统称。黑箱方法黑箱方法：就是采用不打开系统：就是采用不打开系统“活体活体”，通，通过系统的输入和输出关系的研究，去认识和把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握系统的功能特性，探索其结构和机理的研究方法。方法。任何时候，人们总得采用不打开黑箱的任何时候，人们总得采用不打开黑箱的方法研究事物，解决问题方法研究事物，解

11、决问题。3/11/202312灰箱方法则指对系统有部分的认识，但不够完全。灰箱方法则指对系统有部分的认识，但不够完全。利利用灰箱方法可以比黑箱方法更容易解决问题用灰箱方法可以比黑箱方法更容易解决问题，这方面，这方面的知识可以参考灰色系统理论的有关书籍。的知识可以参考灰色系统理论的有关书籍。功能模拟法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能和行为的一种方法。如早期的如早期的计算机就是从模拟人的计算功能开始的计算机就是从模拟人的计算功能开始的，是，是一个成功的例子。又如对一个成功的例子。又如对苍蝇复眼功能的模拟，造出

12、苍蝇复眼功能的模拟，造出蝇眼式照相机。蝇眼式照相机。它们的构造物质截然不同，但达到了它们的构造物质截然不同，但达到了功能上的模拟。功能上的模拟。这种方法实际上是把研究对象作为一这种方法实际上是把研究对象作为一种黑箱种黑箱。3/11/202313 信息论信息论l信息论的产生与发展信息论的产生与发展于于2020世纪世纪4040年代末产生，其主要创立者是美国的数学年代末产生，其主要创立者是美国的数学家家申农和维纳。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、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。信道（传输消息的通道）容量以及消息

13、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、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。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领域。信息有关的领域。3/11/202314l信息论的基本概念信息论的基本概念信息的定义信息的定义申农将信息定义为申农将信息定义为“两次不定性之差两次不定性之差”，即，即“不定性减少不定性减少的量的量”。信息信息(量量)=通信前的不确定性通信前的不确定性通信后尚存的不确定性通信后尚存的不确定性 （2-1）从通信角

14、度看，信息是数据、信号等构成的消息所载有的从通信角度看，信息是数据、信号等构成的消息所载有的内容。内容。消息是信息的消息是信息的“外壳外壳”，信息是消息的，信息是消息的“内核内核”。从实用角度看，信息是指能为人们所认识和利用的，但事从实用角度看，信息是指能为人们所认识和利用的，但事先又不知道的消息、情况等。先又不知道的消息、情况等。维纳则认为：维纳则认为：信息不是物质也不是能量信息不是物质也不是能量，在信息与物质、，在信息与物质、能量之间划了一条界限；能量之间划了一条界限；信息是系统的组织性的量度信息是系统的组织性的量度。3/11/202315信息概念的特点信息概念的特点信息源于运动，事物都具

15、有信息表征。信息源于运动，事物都具有信息表征。信息可以被感知、处理和利用。信息可以被感知、处理和利用。信息能消除人们对事物运动状态认识上的不确定性。信息能消除人们对事物运动状态认识上的不确定性。信息共享不同于实物的交流。信息共享不同于实物的交流。信息可以脱离产生者而被传递。信息可以脱离产生者而被传递。信息的使用价值具有相对性。信息的使用价值具有相对性。信息具有时效性。信息具有时效性。信息不遵守能量守恒定律。信息不遵守能量守恒定律。3/11/202316信息、物质、能量的比较信息、物质、能量的比较 表表2一一1物质、能量、信息三者的比较物质、能量、信息三者的比较3/11/202317通信问题的模

16、型通信问题的模型通信过程构成：信源（发信者）发出信息，通过信息通道通信过程构成：信源（发信者）发出信息，通过信息通道来传送信息，最后由信宿（收信者）获取信息。来传送信息，最后由信宿（收信者）获取信息。申农通信系统结构模型，如图申农通信系统结构模型，如图2-52-5所示。所示。图图2 2一一5 5申农通信系统结构模型申农通信系统结构模型3/11/202318信息量信息量度量信息大小的量。度量信息大小的量。信源产生的通信信息，正是概率论中信源产生的通信信息，正是概率论中所研究的随机现象。信息的定量描述就可用概率的方法来所研究的随机现象。信息的定量描述就可用概率的方法来实现。实现。反常的事件比正常的

17、事件所含信息量大反常的事件比正常的事件所含信息量大，稀有事件比正常，稀有事件比正常事件所含信息量大等。概率小的事件发生时所含的信息量事件所含信息量大等。概率小的事件发生时所含的信息量大，如大，如P（i)1/10所含的信息量很低，所含的信息量很低，p（i）1/10000所含的信息量很高。如果事先知道某事情肯定会发生，出所含的信息量很高。如果事先知道某事情肯定会发生，出现概率为现概率为1，有消息告诉我们这件事的确发生了，并没有，有消息告诉我们这件事的确发生了，并没有消除任何不确定性，所得信息量为消除任何不确定性，所得信息量为0。采用对数作为信息的度量采用对数作为信息的度量,若某事件出现概率为若某事

18、件出现概率为p，则这一，则这一事件所具有的信息量为事件所具有的信息量为:3/11/202319 （2-2）单位为比特单位为比特(bit)，信息量常用单位。，信息量常用单位。如上抛一硬币，只有两种可能性状态：正面朝上或反面朝上，每种状如上抛一硬币，只有两种可能性状态：正面朝上或反面朝上，每种状态出现的概率为态出现的概率为0.5，每种状态所具有的信息量为，每种状态所具有的信息量为:1 bit是含有两个独立等概率可能状态的事件，择其中之一时所具有的是含有两个独立等概率可能状态的事件，择其中之一时所具有的信息量。信息量。信息源可能发出的全部符号所包含的信息量之和，就是信源所具有的信息源可能发出的全部符

19、号所包含的信息量之和，就是信源所具有的总信息量。总信息量。计算出信源发出的每一个符号所包含的平均信息量，这个计算出信源发出的每一个符号所包含的平均信息量，这个平均值就是信源平均信息量，即信息熵。平均值就是信源平均信息量，即信息熵。计算信源信息量的一般方法计算信源信息量的一般方法申农信息熵公式申农信息熵公式。整个信源的各状态所。整个信源的各状态所具有的平均不定性数量的数学期望，即平均信息量：具有的平均不定性数量的数学期望，即平均信息量：（2-3）3/11/202320信息熵与物理学中熵在计算公式上仅差一个负号。信息熵与物理学中熵在计算公式上仅差一个负号。熵是系熵是系统紊乱程度的表征，而信息是表示

20、系统不定性的减少统紊乱程度的表征，而信息是表示系统不定性的减少。一个系统所获信息量越大，系统就越有序，熵就越小。反一个系统所获信息量越大，系统就越有序，熵就越小。反之，所获信息量越小，系统就越无序，熵就越大。之，所获信息量越小，系统就越无序，熵就越大。“信息量是一个可以看作几率量的对数之负数，它实质上信息量是一个可以看作几率量的对数之负数，它实质上就是负熵。就是负熵。”“熵的获得永远意味着信息的丢失，而不是别的。熵的获得永远意味着信息的丢失，而不是别的。”l信息论及方法论的启示信息论及方法论的启示信息方法信息方法，不对事物的整体结构进行剖析，而是从其信息，不对事物的整体结构进行剖析，而是从其信

21、息流程加以综合考察，获取关于整体的性能和知识。流程加以综合考察，获取关于整体的性能和知识。信息方信息方法把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程法把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程,看作是借看作是借助于信息的获取、传送、加工、处理而实现其有目的性的助于信息的获取、传送、加工、处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法运动的一种研究方法。3/11/202321信息方法的意义就在于它指示了机器、生物系统的信息过信息方法的意义就在于它指示了机器、生物系统的信息过程，揭示了不同系统的共同信息联系；有利于管理、决策程，揭示了不同系统的共同信息联系；有利于管理、决策科学化；指明了信息沟通的重要性。科学

22、化；指明了信息沟通的重要性。n一般系统一般系统论论l一般系统论的产生过程一般系统论的产生过程实验科学时代的还原论实验科学时代的还原论 自然科学初期（实验科学时代），主要任务是分析事物内自然科学初期（实验科学时代），主要任务是分析事物内部细节，收集、整理资料，分门别类地进行研究，科学的部细节，收集、整理资料，分门别类地进行研究，科学的主要趋势是分化，与之相适应的是分析解剖法主要趋势是分化，与之相适应的是分析解剖法,还原论占还原论占统治地位，曾取得了很大成功，从而对其他科学研究产生统治地位，曾取得了很大成功，从而对其他科学研究产生了巨大影响。了巨大影响。但局限性也日渐显现但局限性也日渐显现。3/1

23、1/202322一般系统论的产生一般系统论的产生20世纪世纪20年代美籍奥地利生物学家冯年代美籍奥地利生物学家冯贝塔朗菲在贝塔朗菲在对生物学的研究中发现：对生物学的研究中发现：把生物分解的越多，反把生物分解的越多，反而会失去全貌，对生命的理解和认识反而越来越而会失去全貌，对生命的理解和认识反而越来越少。少。因此冯因此冯贝塔朗菲开始了理论生物学的研究贝塔朗菲开始了理论生物学的研究,创立了创立了一般系统论一般系统论.19451945年关于一般系统论的发表，成为系统论年关于一般系统论的发表，成为系统论形成的标志。形成的标志。3/11/202323l一般系统论的基本观点一般系统论的基本观点系统的整体性

24、系统的整体性 要素和系统不可分割。要素和系统不可分割。凡系统的组成要素都不是杂凡系统的组成要素都不是杂乱无章的偶然堆积，而是按照一定的秩序和结构形成的有乱无章的偶然堆积，而是按照一定的秩序和结构形成的有机整体。机整体。系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和。系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和。在在系统论中，系统论中，1加加1不等于不等于2，这是贝塔朗菲著名的，这是贝塔朗菲著名的“非加和定非加和定律律”。系统整体具有不同于各组成部分的新性质或功能。系统整体具有不同于各组成部分的新性质或功能。系统的开放性系统的开放性 系统的动态相关性系统的动态相关性系统的层次性系统的层次性3/11/202

25、324系统的有序性系统的有序性l系统方法论的启示系统方法论的启示系统方法论主张以系统的观点去看整个世界，不能片面、系统方法论主张以系统的观点去看整个世界，不能片面、孤立地看问题。孤立地看问题。系统方法论主张以整体论代替还原论。对事物的层层剖析，系统方法论主张以整体论代替还原论。对事物的层层剖析，弱化事物各部分间的联系，认为整体是部分的简单加和，弱化事物各部分间的联系，认为整体是部分的简单加和，这种思想不利于从总体把握事物，对事物的整体功效认识这种思想不利于从总体把握事物，对事物的整体功效认识不清。不清。系统方法论主张以目的论代替因果论。系统方法论主张以目的论代替因果论。l系统方法系统方法从系统

26、的观点出发，在系统与要素、要素与要素、系统与从系统的观点出发，在系统与要素、要素与要素、系统与外部环境的相互关系中揭示对象系统的系统运动规律。外部环境的相互关系中揭示对象系统的系统运动规律。3/11/202325系统方法要求遵循整体性、动态性和最优化原则。系统方法要求遵循整体性、动态性和最优化原则。n耗散结构理论耗散结构理论 耗散结构理论、协同学、突变论是对系统论的发展。耗散结构理论、协同学、突变论是对系统论的发展。l起源起源牛顿时间和梅格森时间牛顿时间和梅格森时间在牛顿力学体系中时间无方向性（可逆的），具有对称性在牛顿力学体系中时间无方向性（可逆的），具有对称性但在进化论中时间却是不可逆的但

27、在进化论中时间却是不可逆的,梅格森强调指出：梅格森强调指出：“物物理学时间和进化论及生物学时间不同，前者是可逆的，其理学时间和进化论及生物学时间不同，前者是可逆的，其中没有新生事物出现；后者是不可逆的，不断出现新生事中没有新生事物出现；后者是不可逆的，不断出现新生事物。物。”退化与进化两种趋势退化与进化两种趋势3/11/202326退化，即从有序向无序的转变。退化，即从有序向无序的转变。如冷热物体相接触，冷变如冷热物体相接触，冷变热、热变冷趋于相同温度；一滴墨水滴入水中而淡化；非热、热变冷趋于相同温度；一滴墨水滴入水中而淡化；非生命系统从高级向低级的变迁。生命系统从高级向低级的变迁。进化则是向

28、更高有序状态的转变进化则是向更高有序状态的转变，如生物由简单到复杂，如生物由简单到复杂，由低级到高级的转变。由低级到高级的转变。在在1919世纪热力学第二定律认为孤立体系总是朝着熵取最大世纪热力学第二定律认为孤立体系总是朝着熵取最大值的状态即最无序的状态演化。熵增原理让人们得出了值的状态即最无序的状态演化。熵增原理让人们得出了“宇宙热寂说宇宙热寂说”的悲观结论，认为世界在退化。的悲观结论，认为世界在退化。而达尔文的生物进化论认为，生物界的从简单到复杂，由而达尔文的生物进化论认为，生物界的从简单到复杂，由低级到高级，序是不断增进的，向人们描述的是世界在由低级到高级，序是不断增进的，向人们描述的是

29、世界在由低级向高级转变的进化场景。低级向高级转变的进化场景。生物进化论这两种截然相反的结论造成了科学界、哲学界生物进化论这两种截然相反的结论造成了科学界、哲学界的长期争论。的长期争论。3/11/202327l热力学第二定律和熵热力学第二定律和熵热力学第二定律的克劳休斯热力学第二定律的克劳休斯(Clolisius)(Clolisius)表述为：不可能表述为：不可能把热从低温物体传到高温物体，而不产生其他影响（热传把热从低温物体传到高温物体，而不产生其他影响（热传导的不可逆性）。开尔文（导的不可逆性）。开尔文（Kelvin)Kelvin)表述为：不可能从单表述为：不可能从单一热源中取热使之完全变为

30、有用功而不产生其他影响（能一热源中取热使之完全变为有用功而不产生其他影响（能量的耗散性）。量的耗散性）。为描述自发过程耗散能量和增加无序程度的特性，德国物为描述自发过程耗散能量和增加无序程度的特性，德国物理学家理学家R R克劳修斯引入了熵的概念。熵是一种状态函数，克劳修斯引入了熵的概念。熵是一种状态函数，通常用通常用S S表示。表示。对孤立系统，熵永不减少，恒有对孤立系统，熵永不减少，恒有:dS0 （2-6）这是热力学第二定律在孤立系统中的一种数学表示形式。这是热力学第二定律在孤立系统中的一种数学表示形式。3/11/202328熵的统计热力学表示：熵的统计热力学表示：(2-7)式中式中k k为

31、玻尔兹曼常数；为玻尔兹曼常数；p p是热力学几率。是热力学几率。热力学第二定律表明一切不可逆过程都倾向于使体系的最热力学第二定律表明一切不可逆过程都倾向于使体系的最小几率状态趋于一种几率最大状态（熵趋最大），即熵增小几率状态趋于一种几率最大状态（熵趋最大），即熵增dS0dS0。熵是混乱度（无序度）的度量。熵是混乱度（无序度）的度量。开放系统的热力学第二定律开放系统的热力学第二定律系统的熵变化系统的熵变化dSdS可由两部分组成：可由两部分组成：3/11/202329 dS=diSdS=diSdeSdeS (2-8)(2-8)diS diS是系统内部混乱性自发产生的熵，因自发过程是是系统内部混乱性

32、自发产生的熵，因自发过程是 不可逆的，依据热力学原理产生熵增，因而不可逆的，依据热力学原理产生熵增，因而 diS0diS0；deSdeS是系统与外界交换物质、能量和信息而引起的熵是系统与外界交换物质、能量和信息而引起的熵 流（熵交换），但流（熵交换），但deSdeS可正可负，有四种可能情形：可正可负，有四种可能情形：(1)(1)若若deS=0deS=0，系统是封闭的，与外界没有交换，内部，系统是封闭的，与外界没有交换，内部的熵产生使系统混乱程度不断增加，不可能出现系统自组的熵产生使系统混乱程度不断增加，不可能出现系统自组织，只可能有组织的退化；织，只可能有组织的退化；若若deS0deS0，则表

33、示系统平衡态受到扰动，但保持近于平衡。，则表示系统平衡态受到扰动，但保持近于平衡。(2)(2)若若deS0deS0，与外界交换得到的是正熵，增加了系统，与外界交换得到的是正熵，增加了系统的总熵，总熵变的总熵，总熵变dS0dS0，加速了系统趋向平衡态的运动，系，加速了系统趋向平衡态的运动，系统以比封闭状态下统以比封闭状态下3/11/202330 以更快的速度增加混乱程度，不会发生自组织。以更快的速度增加混乱程度，不会发生自组织。(3)(3)若若deS 0deS 0，但，但deSdeS diS diS，通过对外开放从环境，通过对外开放从环境中取得负熵，但还不足以克服内部的熵增加，总熵变中取得负熵，

34、但还不足以克服内部的熵增加，总熵变dS=diS+deS0dS=diS+deS0，系统也不会发生自组织；，系统也不会发生自组织；(4)(4)若若deS 0deS diS diS，从环境中得到的负，从环境中得到的负熵大于内部的熵增加，总熵变熵大于内部的熵增加，总熵变dS0dS0，系统出现减熵过程，系统出现减熵过程，使整个系统的有序性的增加大于无序性的增加，新的结构使整个系统的有序性的增加大于无序性的增加，新的结构和新的组织就能自发地形成，即自组织过程。和新的组织就能自发地形成，即自组织过程。只有正确而又充分地对外开放，才能保证系统出现自组织。只有正确而又充分地对外开放，才能保证系统出现自组织。开放

35、系统的热力学第二定律沟通了生命系统与非生命系统开放系统的热力学第二定律沟通了生命系统与非生命系统之间的联系、开放系统与孤立（封闭）系统的联系。之间的联系、开放系统与孤立（封闭）系统的联系。3/11/202331l耗散结构理论简介耗散结构理论简介耗散结构概念是相对于平衡结构概念提出来的。耗散结构概念是相对于平衡结构概念提出来的。1969年比利时物理学家普利高津（年比利时物理学家普利高津（I.Prigogine)提出了耗提出了耗散结构学说：散结构学说：一个远离平衡态（平衡态时熵最大）的开放系统（不一个远离平衡态（平衡态时熵最大）的开放系统（不管是力学、物理的、化学的，还是生物的和社会的），在管是力

36、学、物理的、化学的，还是生物的和社会的），在外界条件发生变化达到一定阈值外界条件发生变化达到一定阈值(临界值临界值)时，量变可以发时，量变可以发生质变（由无序到有序的突变）。通过与外界交换物质、生质变（由无序到有序的突变）。通过与外界交换物质、能量和信息等，使系统从原来的无序状态转变为一种时间、能量和信息等，使系统从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态，这种远离平衡态的、稳定的、有空间或功能的有序状态，这种远离平衡态的、稳定的、有序结构被称为序结构被称为“耗散结构耗散结构”（Dissipative Structure）如贝纳德流就是一种耗散结构如贝纳德流就是一种耗散结构3/11/

37、202332平衡结构虽稳定有序，但是一种平衡结构虽稳定有序，但是一种“死死”结构，它不需要靠结构，它不需要靠外界供应物质、能量来维持。耗散结构是一种外界供应物质、能量来维持。耗散结构是一种“活活”结构，结构，它要不断同外界交换物质、能量来维持其有序状态。它要不断同外界交换物质、能量来维持其有序状态。普利高津着重阐述的几个基本观点：普利高津着重阐述的几个基本观点：1)开放系统是产生耗散结构的必要前提、维持和存在的基开放系统是产生耗散结构的必要前提、维持和存在的基础。础。2)非平衡态是有序之源。非平衡态是有序之源。3)涨落导致有序。涨落导致有序。4)非线性动力学机制。非线性动力学机制。非线性机制所

38、产生的非加和作用是系统产生并保持耗散结非线性机制所产生的非加和作用是系统产生并保持耗散结构的根本原因。构的根本原因。3/11/202333耗散结构演化过程多级分支图耗散结构演化过程多级分支图 多级分支图多级分支图3/11/202334 图中，图中，x x为系统的某一特征量，例如是化学反应系统中为系统的某一特征量，例如是化学反应系统中某一成分的浓度。入为某一物理量，例如控制化学反应的某一成分的浓度。入为某一物理量，例如控制化学反应的一个参数。当系统离开平衡状态不远时（近平衡区），即一个参数。当系统离开平衡状态不远时（近平衡区），即影响系统的参数入数量不大时，可以得出单一热力学分支影响系统的参数入

39、数量不大时，可以得出单一热力学分支a a。当入超过某一阈值入。当入超过某一阈值入1 1时，在时，在B B点之后会出现点之后会出现2 2个分支，个分支，得到得到3 3个解：个解：b1b1，b2b2和和b3b3。其中。其中b1b1和和b3b3是稳定解，是稳定解，b2b2是不是不稳定解，稳定解用实线表示，不稳定解用虚线表示。到达稳定解，稳定解用实线表示，不稳定解用虚线表示。到达入入2 2以后，又可以得出以后，又可以得出C C1 1，C C2 2，C C3 3等稳定解和不稳定解，等稳定解和不稳定解，以此类推。以此类推。在各分支点之后，则出现新的结构。在分支点附近，在各分支点之后，则出现新的结构。在分支

40、点附近，系统有几种状态可供选择，究竟哪一种状态成为现实，完系统有几种状态可供选择，究竟哪一种状态成为现实，完全依赖于涨落和控制参量的改变方式。全依赖于涨落和控制参量的改变方式。3/11/202335耗散结构理论具有普遍科学方法论的性质耗散结构理论具有普遍科学方法论的性质耗散结构理论是科学、技术、经济、管理等领域用以解决耗散结构理论是科学、技术、经济、管理等领域用以解决一系列综合问题的方法论工具。一系列综合问题的方法论工具。耗散结构理论表明以物质、能量和信息为基本要素的复杂耗散结构理论表明以物质、能量和信息为基本要素的复杂系统，可以用一种普遍适用的概念和规律来描述，如有序、系统，可以用一种普遍适

41、用的概念和规律来描述，如有序、涨落、失稳、分支等。耗散结构理论推进了系统自组织理涨落、失稳、分支等。耗散结构理论推进了系统自组织理论的发展，对系统科学的发展有重要理论意义。论的发展，对系统科学的发展有重要理论意义。n协同学协同学协同学是研究开放系统在保证外流条件，如何能够自发地协同学是研究开放系统在保证外流条件，如何能够自发地产生一定的系统有序结构或动能行为的一门新兴学科，深产生一定的系统有序结构或动能行为的一门新兴学科，深刻地反映了自然界和人类社会不断发展与演化的机制。刻地反映了自然界和人类社会不断发展与演化的机制。3/11/202336原西德理论物理学家哈肯（原西德理论物理学家哈肯（Hak

42、en）长期从事激光理论研）长期从事激光理论研究，发现激光呈现出丰富的合作现象，从而得出了协同作究，发现激光呈现出丰富的合作现象，从而得出了协同作用的重要概念，于用的重要概念，于20世纪世纪70年代后期创立了协同学。年代后期创立了协同学。哈肯认为，任何一个包括有大量子系统的复杂系统，在与哈肯认为，任何一个包括有大量子系统的复杂系统，在与外界环境有物质、能量、信息交换的开放条件下，通过各外界环境有物质、能量、信息交换的开放条件下，通过各子系统之间的非线性的相干作用，就能产生各子系统相互子系统之间的非线性的相干作用，就能产生各子系统相互合作的协同现象，使系统能够自动地在宏观上产生空间、合作的协同现象

43、，使系统能够自动地在宏观上产生空间、时间或功能的有序结构，出现新的稳定状态。系统演化的时间或功能的有序结构，出现新的稳定状态。系统演化的这种过程，称为自组织。这种过程，称为自组织。自组织是指系统在没有外部指令的条件下，其内部子系统自组织是指系统在没有外部指令的条件下，其内部子系统之间能够按照某种规则，自动形成一定的结构和功能，它之间能够按照某种规则，自动形成一定的结构和功能，它具有内在性和自主性。自组织的演化过程是开放系统中大具有内在性和自主性。自组织的演化过程是开放系统中大量子系统集体的、自发的、自动的协同合作效应。量子系统集体的、自发的、自动的协同合作效应。3/11/202337哈肯认为系

44、统由无序到有序的关键不在平衡、非平衡或者离哈肯认为系统由无序到有序的关键不在平衡、非平衡或者离平衡态有多远。关键在于组成系统的各子系统在一定条件下，平衡态有多远。关键在于组成系统的各子系统在一定条件下，它们之间的非线性作用、相互协同和合作，自发产生有序结它们之间的非线性作用、相互协同和合作，自发产生有序结构，因此强调了协同现象的普遍性和重要性。构，因此强调了协同现象的普遍性和重要性。协同学的基本原理协同学的基本原理(1)(1)协同效用原理即协同效用原理即“协同导致有序协同导致有序”。(2)(2)支配原理。两类变量：快变量与慢变量（即序参量），支配原理。两类变量：快变量与慢变量（即序参量），起支

45、配控制作用的变量是慢变量。起支配控制作用的变量是慢变量。(3)(3)自组织原理。自组织原理。l协同学与耗散结构小结协同学与耗散结构小结(1)(1)耗散结构要求系统开放，远离平衡态，有物质、能量交耗散结构要求系统开放，远离平衡态，有物质、能量交换，以及内部的非线性机制。而协同学把研究从远离平衡态换，以及内部的非线性机制。而协同学把研究从远离平衡态的开放系统扩展到近平衡态和平衡态系统。的开放系统扩展到近平衡态和平衡态系统。3/11/202338(2)同外部的交换可产生负熵流，产生促进内部协同的促同外部的交换可产生负熵流，产生促进内部协同的促协力。协力。(3)子系统之间的协作力（可正、可负、可为零）

46、决定系子系统之间的协作力（可正、可负、可为零）决定系统的未来走向。协作力大于零，系统走向高级稳态；协作统的未来走向。协作力大于零，系统走向高级稳态；协作力小于零，系统走向混乱。力小于零，系统走向混乱。(4)耗散结构惯性原理：一旦形成耗散结构就有一定抗干耗散结构惯性原理：一旦形成耗散结构就有一定抗干扰能力。扰能力。(5)吞并溶合原理：外来小系统与大的耗散结构相遇并相吞并溶合原理：外来小系统与大的耗散结构相遇并相互作用时，小系统不能足以破坏大系统时，则被后者吞并互作用时，小系统不能足以破坏大系统时，则被后者吞并且溶合，并不影响后者的基础结构。且溶合，并不影响后者的基础结构。(6)突发干扰：使系统崩

47、溃时，系统可产生向上或向下的突发干扰：使系统崩溃时，系统可产生向上或向下的运动，一般情况下形成高一级的耗散结构。运动，一般情况下形成高一级的耗散结构。3/11/202339n突变论突变论法国数学家勒内法国数学家勒内托姆（托姆（Rene.Thom）于）于1972年创立。以年创立。以往的数学只能解决连续变化（离散连续）问题，对那些突往的数学只能解决连续变化（离散连续）问题，对那些突然出现的非连续性变化显得无能为力。然出现的非连续性变化显得无能为力。突变论从量的角度研究各种事物的不连续变化问题，进行突变论从量的角度研究各种事物的不连续变化问题，进行从量变到质变的研究。它用数学模型来模拟突变过程，考从

48、量变到质变的研究。它用数学模型来模拟突变过程，考察这一过程从一种稳态到另一种稳态的跃迁。运用的数学察这一过程从一种稳态到另一种稳态的跃迁。运用的数学工具主要为拓扑学、奇点理论和结构稳定性理论。工具主要为拓扑学、奇点理论和结构稳定性理论。托姆突变论的主要观点托姆突变论的主要观点(1)(1)稳定机制是事物的普遍特性之一。稳定机制是事物的普遍特性之一。(2)(2)质变可以通过渐变和突变两种方式来实现。质变可以通过渐变和突变两种方式来实现。(3)(3)在一种稳定态中的变化属于量变，在两种结构稳定态在一种稳定态中的变化属于量变，在两种结构稳定态中的变化或在结构稳定态与不稳定态之间的变化则是质变中的变化或

49、在结构稳定态与不稳定态之间的变化则是质变。3/11/202340突变论中以控制变量（突变论中以控制变量（U）来表示那些作为突变原因的连）来表示那些作为突变原因的连续变化因素，以状态变量（续变化因素，以状态变量（x）来表示可能出现突变的量。）来表示可能出现突变的量。突变论运用数学工具描述系统处于稳定态、不稳定态的参突变论运用数学工具描述系统处于稳定态、不稳定态的参数区域以及系统突变时的参数特定位置，从而建立起突变数区域以及系统突变时的参数特定位置，从而建立起突变过程的数学模型。过程的数学模型。托姆证明，当控制变量托姆证明，当控制变量U4、状态变量、状态变量x2时，按某种意时，按某种意义进行分类，

50、突变过程一共只有义进行分类，突变过程一共只有7种类型：折叠型（种类型：折叠型（U1，x1，即一个控制变量，一个状态变量）、尖顶型（，即一个控制变量，一个状态变量）、尖顶型（U2，x1)、燕尾型（、燕尾型（U3，x1)、蝴蝶型（、蝴蝶型（U4,x1)、双曲型（、双曲型（U3,x2)、椭圆型（、椭圆型（U3，x2)、抛物、抛物线型（线型（U=4，x=2）。）。折叠型突变是一种只有一个控制因子和一个状态因子的突折叠型突变是一种只有一个控制因子和一个状态因子的突变，它代表事物主要由于一种因素变化所导致的质变。变，它代表事物主要由于一种因素变化所导致的质变。3/11/202341尖顶型突变模型是最常用，