系统工程课件_第二章.pptVIP

第二章　系统工程理论 第一节　系统科学的学科体系 第二节　系统工程理论基础 第三节　系统工程理论新发展 第一节　系统科学的学科体系 　　　钱学森提出了一个清晰的现代科学技术的体系结构，认为从应用实践到基础理论，现代科学技术可以分为四个层次： 　　　系统工程在自然科学与社会科学之间架设了一座沟通桥梁。现代数学方法和计算机技术，通过系统工程，为社会科学研究增加了极为有用的定量方法、模型方法、模拟实验方法和优化方法。 　　　系统工程为从事自然科学的工程技术人员和从事社会科学的研究人员的相互合作开辟了广阔的道路。 系统工程理论基础及工具的框架 一、控制论 （一）控制论的产生与发展 　　　1947年由美国人维纳创立的控制论是一门研究系统的控制的学科。 　① 一切有生命、无生命系统都是信息系统。控制的过程也可以说是信息运动的过程。无论是机器还是生物，在构成控制系统的前提下，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。“控制论是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。” 控制论的发展已大致经历了三个时期 ：——从40年代末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。“反馈控制 ” 　——第二个时期为60年代，即现代控制理论时期。“最优控制”， 　——进入70年代以后，是大系统控制理论时期。“大系统多级递阶控制 ” （二） 控制论的基本概念 　１、控制系统的构成 ２、系统的稳定性 　　　　系统处于环境之中，受到内、外部的干扰（即把系统从一种状态变迁到另一种状态的作用），要保证系统确定的性质和功能，就必须具有抗干扰的稳定性。 第一类稳定性 ：也就是说任意给定一个　　，必存在一个　　　使得　　　　　时（　为系统的起始状态，　为平稳状态）； 第二类稳定性 ：当系统所受到干扰偏离正常的状态时，在干扰消失后能自动恢复其正常状态时，也就是说任意给定一个　　，必存在一个　　，当　　　（　系统恢复正常的时间），使得　　　　　　； 3. 系统的稳定机制及控制方式 　　　反馈有两类：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；正反馈的作用是用来放大某种作用或效应；使有直接关联的系统相互促进，协调发展。 　　　如果输出量反馈回来弱化了输入变化导致的偏差，这就是负反馈。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。 ４、系统的结构 （1）层次性是系统结构的普遍形式。整个宇宙可以看成一个系统，这个系统也有结构，它按自然发展规律形成等级秩序，这就是结构的层次性。 （2）结构具有相对性。较高层次具有较高的复杂性。系统与要素是相对于系统的等级和层次而言的。一般说来，高一级的结构层次对低一级的结构层次有着制约性，而低一级结构又是高一级结构的基础，低一级结构层次反作用于高一级结构层次，它们之间的关系是辨证的。 （3）各层次都有其自身的最佳规模。层次可以按照系统中各要素联系的方式、系统运动规律的类似性、人类认识尺度的大小、能量变化的范围和功能特点来划分，不当的层次划分会影响人们对客观系统的正确认识。 （4）结构具有稳定性。系统之所以能够保持它的有序性，就在于其各要素之间有着稳定的联系。结构的稳定性是指结构总是趋于保持某一状态，具有抗干扰力。 （5）结构具有开放性和动态性。系统总要与外界进行物质、能量和信息的交换，并在交换过程中使自身发展变化，由量变到达质变，这就是结构的开放性和动态性，这是绝对的，不存在绝对的封闭系统。系统各层次之间以及每个层次内部要素之间也都存在着物质、能量或（和）信息的联系。 系统结构有其意义： 　　　结构说明存在的方式，不同结构为不同物；结构决定系统的性能。要素相同而结构不同，功能也不同。如石墨与金刚石同由碳原子组成，但由于结构不同，它们的性质便迥然不同。 ５、系统的能控性、能观性 系统具有能控性: 系统能通过控制函数（输入）在有限时间内将系统由初态XR转移到状态空间原点。 系统具有能达性: 系统初始时刻位于状态空间原点，如果系统能通过控制函数（输入）在有限时间内将系统由初态转移到状态空间任意一点。 假定系统初始状态为X(t0)，若依据有限时间区间J内所测得的输出和外加的输入能够确定出系统的初态X(t0)，如果J是t0开始以后的区间，称该系统在t0时刻具有能观性；若J是t0以前到t0的区间，则该系统在t0时刻具有能构性。 6、闭环控制系统的动态过程 定常控制系统的目标固定，其输入的目标值是给定的。当干扰存在时，系统能自动地使输出保持在给定值上下的容许范围内。 随动系统的目标是运动变化的，其输入的目标值是随时间变化的，其输出能以一定精度跟随输入的变化而变化。如导弹的