大系统分析讲义

肇大系统分析讲义莂第9章大系统分析芀本章研究大系统分析的任务，大系统分析的内容，大系统分析的特点，大系统分析的方法。羈9.1大系统分析的任务肈大系统分析的任务在于对已有的大系统进行定性、定量，静态、动态，结构、功能，宏观、微观的分析；对大系统的历史、现状和未来进行回顾、评估和预测，为改进大系统的运行状态，提高运行效率，更新结构与扩展功能， 提供科学依据和实现途径。其任务可分为方面：螅历史回顾虿历史回顾是对大系统已有的运行历史进行回顾与总结，根据大系统的达行历史纪录和统计数据进行分析和归纳，总结出有关的定性、定量，静态、动态的规律或关系及结构、功能，宏观、微观的特性或机理，为建立大系统的广义模型，进行广义模型的验证和拟合，提供客观依据和实际数据，例如，建立回归模型。蚈历史和现状往往有惊人的相似性，特别是对于平稳的大系统，即使是非平稳的大系统，在一定的历史时期内，也可能是近似平稳的，或者在某些基本特性和规律方面是相对平稳的。因此，对大系统的历史进行分析，具有重要的现实意义，所谓“温故知新”，例如，避免历史上的错误在现实环境下重演。袆现状评估袃现状评估对大系统的现有运行状态进行评价与估算，包括技术性能、经济指标、社会效益、生态影响等各方面。首先利用历史回顾结果和数据，建立大系统的广义模型；然后，利用所建立的广义模型， 进行大系统的现状评估； 最后采用不同的粒度， 进行宏观或微观的分析，揭示大系统结构或功能方面存在的问题或缺陷，提出改进的建议和方法。例如， 由于集中控制结构而存在的大系统可靠性下降、风险性集中的问题；由于分散控制结构，导致大系统能控性削弱、协调性困难的问题。莃在大系统现状评估过程中，一方面，是在系统“平稳性”假设前提下，应用基于历史回顾所建立的广义模型，进行系统现状分析。如果分析结论与现实状态相吻合，说明“平稳性”假设是可行的，那么，历史上行之有效的、成功的控制策略仍可在现实系统中应用，否则，说明系统“平稳性”假设有问题，可能是现实系统有了非平稳的变化。另一方面，要根据现实系统的结构特性和环境条件，对广义模型进行必要的校正，注意现实系统与历史系统的差异，避免生搬硬套历史上的公式或教条，放弃已陈旧的经验模式，采取适用于非平稳的现实系统的控制和管理方式。所谓“推陈出新” 、“破旧立新”。葿未来预测羇未来预测是利用基于现状分析结果和数据所建文的或校正过的广义模型，对大系统的未来发展趋势进行预测、、通过系统仿真，检验现行控制策略的米来效果，为制订大系统的控制决策、改革方案与发展规划，提供定性和定量的科学依据。芆类似地，在未来预测中，也需要假设现实系统与未来系统是相对“平稳”的，才能采用基于现实系统的模型对未来系统进行分析和预测。螂预测结果的可信度，一方面取决于预测模型是否反映了系统的基本客观规律，另一方面，也取决于系统及其环境条件的平稳性。如果预测模型把握了基本规律，且在预测时间段内“平稳性”假设成立，那么，预测结果可信度高。腿如上所述，基于广义模型的大系统分析过程如图 9-1所示。螄莄图9-1 大系统分析的任务节在图9-1中，大系统分析的全过程由3个子过程组成：历史回顾、现状评估、未来预测，依次相应地采用下列广义模型。羀1.回顾模型螆回顾模型是根据历史事实和统计数据建立的，用于进行大系统历史回顾分析的广义模型。蒂2.评估模型蚁评估模型利用现状事实和数据，对回顾模型进行拟合和校正后，所建立的评估模型，用于进行大系统现状评估。蚀3.预测模型袇预测模型用于进行大系统未来预测的广义模型，由评估模型经时间外延可得预测模型，外延时间应满足系统平稳性假设。袅因此，大系统分析的过程，既是广义模型的应用过程，也是广义模型的建立、校正与修改的过程。肀9.2大系统分析的内容莀由于大系统涉及到工程技术、社会经济、生物生态等各个领域，因此，大系统分析的内容是广泛的、丰富的。蚄我们可以将大系统分析的内容归纳为以下系统为实际背景加以说明。

4个方面，并以大型工业企业的控制与管理羃技术性能薀从控制论观点看来，各种有组织的系统，都存在着控制与通信过程，因而，也都是广义的控制系统或信息系统。例如，一个大型工业企业就是一个典型的大型控制系统或大型信息系统。膁在大系统控制论中，主要研究大系统的控制和信息过程，因此，在大系统分析中，关于技术性能方面的分析内容，主要是涉及大系统的控制性能，以及相应的信息传递、变换、处理过程的性能。蚆(1)能通性。指信息结构的能通性，这是控制系统信息通道结构的基本特性，包括；控制信息结构能通性、观测信息结构能通性、输出信息结构能通性等，能通性是系统能观性、能观性、能协调性的前提条件。莅(2}能控性。或称“可控性”，指控制目的与控制过程实现的可能性，包括：状态能控性、输出能控性等。能控性反映了控制机构与被控制对象相匹配的结构和参数特性，及能否利用输入控制信号对系统状态或输出实现控制的可能性。膃(3)能观性。或称“可观性”、“可观测性”，指通过输出对系统状态进行观测的可能性，反映了观测装置与被控制对象相然配的结构和参数特性，及能否利用输出信号对系统状态进行直接或间接的观测的可能性。蚇(4)能协调性。或称“可协调性”，指大系统中各子系统(小系统)相互协调配合，以完成大系统控制任务的可能性，包括：任务协调、资源协调等。大系统的能协调性反映了各子系统之间相互关联的结构与参数特性，且与各子系统的能控性、能观性有关，协调是大系统控制.f理与决策的关键问题。螇(5)稳定性。包括平衡态稳定性，指系统受到扰动而偏离其平衡态，当扰动消失后，系统恢复平衡态的性能；输人输出稳定性，指系统在有界输入下，保持输出有界的性能。在大系统稳定性分析中，“大一小”系统稳定性关系问题，即，“组合稳定性”，具有重要意义。蒄(6)可靠性。指系统在给定环境条件下、给定时间内，不发生故障，保持正常系统功能的可能性。通常，以故障概率大小及分布来描述系统可靠性， 分析系统的可靠度、 可用度及有效度。在大系统可靠性分析中， “大一小”系统可靠性关系问题，即， “组合可靠性”，具有重要意义。蚂(7)快速性。指系统达到给定控制目标所需控制过程时间的长短。 它与系统的惯性和时延有关，对于大系统，协调控制过程的快速性不仅取决于相互关联的惯性和时延， 也与各子系统的惯性和时延有关。在大系统中，可能存在“快慢分离”现象，各子系统、各局部控制过程的快速性相差悬殊，可能增加协调困难，但可用于简化模型和系统分析。 “协调快速性”分析具有重要意义〕莇(8)准确性。指系统偏离给定控制目标的误差大小，包括：稳态准确度，指系统的平稳状态与目标状态的稳态误差大小；动态准确度，指系统的动态过程与目标过程的动态误差大小。准确度不仅取决于系统本身的结构和参数，而且与环境条件、 干扰噪音有关。 在大系统分析中，可采用变粒度模型，对大系统的全局控制和各子系统的局部控制， 具有不同的粒度、不同的准确度要求。“协调准确度”分析具有重要意义。薅(9)鲁棒性。即健壮和强壮的意思，用来表示当一个控制系统中的参数发生摄动时系统能否保持正常工作的一种特性或属性，就像人在受到外界病菌的感染后，是否能够通过自身的免疫系统恢复健康一样，随着人们对于控制效果要求的不断提高，系统的鲁棒性会越来越多地被人们所重视。薂经济指标肂经济指标分析可分为两方面：肈(1)经济代价，或经济投人。如设备投资、运行费用、维修费用、基建投资等。其中运行费用包括：原料消耗、能源消耗、劳力费用等。蚆(2)经济收益，或经济产出。如在工业企业中的产量增加、质量提高，劳力减少、原料节约、能源节约、效率提高等方面获得的经济效益。羄由于大系统往往国民经济有重大影响，因此，大系统的经济指标分析具有重要意义。蒁 例如，大型冶金企业、化工企业、机械制造企业、电力系统、交通系统等，其投资巨大，若运行状态好，其经济效益显著；否则，其经济损失严重。袈 但是，在现有的控制理论或大系统理论中， 对控制系统的经济性问题缺乏应有的研究。应当指出，从控制论观点研究大系统控制过程的经济性是一个新问题， 它不同于一般的工业企业的经济可行性分析，而是着眼于控制过程的经济性，包括为实现大系统控制过程而付出的经济代价，如控制设备的投资和运行费用，以及由于控制目标的实现而获取的经济效益，如产量增加、质量提高带来的收益。蚇通常，在大型工业企业中，控制设备投资和运行费用，只占生产设备总投资和运行费用的较少的部分，而由于实现有效的控制、管理和决策，所产生的经济效益却是十分巨大的，其中包括直接经济效益和间接经济效益。一般情况下，过程控制可产生直接经济效益，而企业管理产生间接或直接经济效益。肃社会效果羁 各种大系统的达行状态对社会有重大影响， 可能产生正的效果， 也可能产生负的效果。蕿(1)安定性。社会生活的安定性，意味着没有战争、冲突、攀力，刑事犯罪率低，疾病传染率低，事故死亡率低等。社会安定性与各种大系统有关，如f家行政管理系统、国民经济管理系统、公共服务系统、交通运输系统、医疗保健系统等。蒅即使是一个大型工业企业，它对社会安定性也有影响。例如，由于企业的自动化程度提高，可能使劳动密集型的企业减少就业人员，或者，由于企业经营不力，导致职工生活水平下降或恶化，可能引起社会的刑事犯罪率土升，破坏社会安定性。蒅因此，在我国人口众多，劳动力密集的情况下，对于工业企业的技术改造与技术革新，我们认为应当采取“灵活自动化”的适用技术方针，研究大系统灵活自动化的方法和技术；采用适合于国情的控制系统的设计方法和实现技术，使大系统中人与机器相互协调，合理分工.，从而使控制技术革新产生良好的社会经济综合效益。莀(2)有序性。社会的有序性是指社会中人们活动的有序化程度，它是社会的组织化程度的反映。若社会的组织化程度高，则人们活动的有序性高，社会秩序的紊乱程度低；反之，若社会的组织化程度低，则人们活动的有序性低，社会秩序的紊乱程度高。荿社会的有序性要适应社会发展和人民生活的需要，有序性太低，社会处于无组织的紊乱状态，不利于社会发展和人民生活的安定； 有序性过高，社会处于高度组织化的机械状态，不利于造就生动活泼的社会环境与丰富多彩的人民生活。因此，需要研究最适宜的有序化程度，即“最佳有序度”间题，薆社会是包含有各种大系统的“巨系统” ，或称“特大系统”，除了有序化程度—“有序度”之外，还需要研究其有序化模式—“有序模”，相应于社会的组织化模式。如集中组织模式、分散组织模式，“集中一分散”相结合的“递阶组织”模式，以及集中、分散、递阶种基本组织模式的各种组合、变型和进化的复杂组织模式。类似地，这里需要研究最适宜的有序化模式，或“最佳有序模”问题。薄生态影响肃工程技术大系统对生态环境可能有重要影响。聿(1)生态平衡。大型工程建设项日对所在地区的生态平衡可能造成重大影响。例如，大型水电站建设将在拦河坝上游造成人工湖泊，改变了所在地然的生态环境，而影响原有的生态平衡状态。薈(2)环境污染。大型工业企业排放的废气、废水、废料，如不加处理，可能对环境造成严重污染，恶化所在地仄的空气和水质。需要分析污染的原因和程度，研究污染控制与环境保护的方法和措施。蚂如上所述，大系统分析的基本内容如图 9-2所示。蒃袀图9-2大系统分析的内容莅9.3大系统分析的特点肄“大~小”系统关系问题袂由于实际的大系统往往由许多小系统 (子系统)通过相互关联而组成，或者，大系统在组织上可以分解为若干小系统 (子系统)。例如，一个大型工业企业可能包括若干工厂、 分厂，因此，在大系统分析中，特点之一是关于“大~小”系统关系问题的分析，如：“大~小”系统稳定性关系问题。薀若各小系统稳定，其相互关联应满足什么条件才能便所组成的大系统也是稳定的 ?若有不稳定的小系统， 能否组成稳定的大系统 ?其相互关联应满足什么条件 ?若大系统稳定，其中各小系统是否都稳定 ?相互关系条件如何 ?若大系统不稳定，是否其中各小系统都不稳定 ?相互关系条件如何 ?蒆通过“大~小”系统稳定性关系的分析，可以从稳定性方面提出对相互关联的要求，寻求保证大系统稳定的条件，改善大系统稳定性的方法和途径。膃例如，对于线性多变量协调控制系统，可以证明：当协调关系为同步关系或比例协调关系，且各小系统的特性满足对称性条件时，若各小系统稳定，则所组成的协调拉制大系统也是稳定的。莁类似地，还可以分析“大准确性及鲁棒性的关系问题。

~小”系统的可靠性、能控性、能观性、能通性、快速性、莀此外，在大系统的经济指标、社会效果、生态影响的分析中，也存在类似的“大系统关系问题。“大~小”系统关系分析包括定性关系、定量关系，静态关系、动态关系的分析。

~小”蒈知识不完备薅大系统通常是数据不精确、信息不充分、知识不完备的复杂系统，这种特点给系统分析造成很大困难。知识不完备有以下几个方面的因素：螁1.不确知系统肁由于大系统规模庞大、结构复杂、功能综合、因素众多，因此，全面地、精确地描述大系统的特性和状态所需的信息量太大。这样，在信息获取、传递、变换、处理的技术上、经济上、时间上都存在一系列困难，受到各种环境条件的约束和限制。因此，往往难以获得充分的信息、精确的数据和完备的知识。大系统通常是“不确知”的系统。芅2.不确定因素蚃大系统其有许多不确定因素，主观方而有来自人的认识、思维、语言的模糊性，客观方面有事物变化、产生、消失的随机性等。因此，人们关于大系统的知识也含有许多不确定因素，是不完备的。膀3.发展中系统薇各种系统都处在发展变化之中，如果系统本身的结构或参数的变化速率与系统对外界输入的输出响应速率可以比拟，则称之为“发展中系统” 。例如，一个大型工业企业的管理体制改革比较频繁，在一项生产计划制订和实施的过程中，管理体制已经发生了变化。这样，将给系统分析带来困难。“发展中系统”是变结构、变参数系统。需要采用变结构、变参数模型机型描述和分析，而伏案与大系统的结构和参数的变化规律的知识，也是不完备的。莆“多级、多层、多段”结构特性螂虽然实际大系统的结构十分复杂，但是，关于结构分析的结果表明，大系统具有3种基本的控制结构：“集中控制”结构、“分散控制”结构、“递阶控制”结构。其中，“递阶控制”结构是“集中一分散”相结合的普遍采用的先进的控制结构。薀各种大系统的实际结构可视为上述3种基本结构的组合、变型和进化。我们可归纳出大系统的3种典型结构：多级控制结构、多层控制结构、多段控制结构。芈在大系统分析中，应当考虑上述大系统的结构特性，建立相适应的模型，根据大系统中不同级别、层次、阶段的实际需求，选取适当的粒度、合理的精度进行系统分析。如上所述，大系统分析的特点如图9-3所示。蒈膄图9-3大系统分析的特点芃9.4大系统分析的方法肈根据大系统分析的上述特点，我们建议采取下列相应的分析方法。芅“分解-集结”分析法芃所谓“分解-集结”方法是分两步对大系统进行分析。螂1.分解——“化整为零”螈将复杂大系统分解为简单的小系统，分别对各小系统进行局部分析，求取局部解，可以并行处理，以提高分析速度和效率。芇这里的“分解”，可以是将实际大系统在组织上、物理上分解为若干小系统，也可以是将大系统的模型进行逻辑上、数学上的分解。蚅关于“分解”的方法，有如下几种思路：膂(1)“解除”关联。假设各小系统之间不存在相互关联，或者说，将相互关联“解除” ，令大系统模型中的关联项为零，在各小系统分析中不予考虑。蕿(2)等效关联。将各小系统之间的关联用“等效”的附加输出和输人代替，在各小系统分析中考虑附加输人的等效作用。莈(3)估计关联。对关联的影响进行估计，在小系统分析时，用估计值考虑关联作用。螃2.集结——“合零为整”薁将各小系统分析所得的局部解集结起来，考虑相互关联，求取大系统的全局解。艿这里的“集结”，并不是将各小系统的局部解简单相加，而是在各小系统局部解的基础上，考虑关联作用，求取大系统的全局解。膅“集结”方法要与“分解”方法相适应：肆(1)“恢复"关联。在“集结”时，将“分解"时所解除的关联加以恢复，以考虑关联的作用。羀(2)关联平衡。在“集结”时，将“分解”时所采用的等效输人、输出与实际关联进行平衡。罿(3)估值校正。在“集结”时，对“分解”时所选取的关联估值进行校正，以符合实际关联值。膇例如，采用“分解

-集结”方法进行大系统稳定性分析，分两步研究“大

~小”系统稳定性关系：芄(l)先解除关联，分别求各小系统稳定条件；蒀(2)恢复关联，求关联应满足的稳定条件，与各小系统稳定条件“集结” ，可得大系统稳定条件。螀“定性-定量”分析法芈在大系统分析中，建议采用“定性 -定量”相结合的方法。莂(1)“启发-算法”方法。例如：知识推理与数学运算相结合的方法，一方面，根据关于系统的启发性知识和经验，以及系统结构特性、运行状态的事实和规律，建立知识模型，进行定性分析；另一方而，利用有关系统的测试数据、特性参数等数值信息，建立数学模型，进行定量分析，并且，两者相互配合，相辅相成。通常，先进行定性分析，以策划定量分析；再由定量分析检验定性分析，由定性分析判断定量分析，相互校正，逐步深化。膃(2)“图示-赋值”方法。例如：赋值或加权的有向图、无向图，树图、网络图，及神经网络分析方法。利用图示的拓扑结构描述系统的结构特性、因果关系、逻辑关系、时序关系等，以便进行定性分析；利用图的赋值或加权表示系统的参数特性、数量关系、联系强度、作用大小等，进行定量分析。蒀采用“定性-定量”相结合的方法进行大系统分析，有两方而的原因。肅(l)现实可行性。由于大系统的复杂性、不确知性和不确定性，缺乏精确的数据、充分的知识、完备的信息，所以单纯依靠数学模型进行精确的定量分析是不现实的。事实上，至今有许多复杂因素还缺乏适用的数学描述方法，如：社会心理因素、人们的经验知识等。所以，现实可行的方法是利用数学模型与知识模型集成的广义模型，进行定量与定性结合的分析。蚅(2)实际需求性。实际上，为了大系统控制、管理、决策的需求而进行的系统分析，不仅需要把握大系统运行状态和发展变化的定性规律和特性，而且需要了解相应的定量关系和数据。例如，关于国民经济系统的分析，有基于“政治经济学”的定性分析，也有基于“计量经济学”的定量分析，存在着争论和分歧。我们认为：两者应当相互交流取长补短，才能进行定性与定量结合的全而分析。薃“黑箱-白箱”分析法芁“黑箱-白箱”分析法即“黑箱”方法与“白箱”相法相结合的分析方法，或称“灰箱” 。方法。肇“黑箱”方法采用“外模型”，如：传递函数、传递算子模型等，对系统的外部功能进行分析，如：输入广输出响应特性。袃“白箱”方法采用“内模型”，如：状态方程、状态空间模型等，对系统内部状态进行分析，如状态能控性、能观性。羂“黑箱-白箱”方法采用“外模型-内模型”相结合的广义模型，如：多层状态空间、多重广义算子模型等，对系统的外部功能、内部状态进行全面分析。蚇应用“黑箱-白箱”方法，可根据大系统的结构特性，建立适用的广义模型。例如，对多级结构、多层结构的大系统，可建立多级、多层状态空间模型；对于多段结构大系统，可建立各段广义算子模型，以便对整个大系统以及其中各小系统的功能和状态，进行“外部-内部”、“宏观-微观”相结合的分析。膈“主动”分析法膆通常，在控制理论或大系统理论中，系统分析是以被控制对象的数学模型为基础的。根据被控制对象的数学模型，设计控制器，构成控制系统，进而建立控制系统数学模型，进行系统的动态和静态特性分析。 这里，系统分析依赖于被控制对象的数学模到， 如果缺乏适用的被控制对象数学模型，那么，控制系统分析就无法进行，处于被动局面，我们称这种系统分析方法为“被动”分析法。莁这里，所谓“主动”分析法，是采用“控制者”的模型(如，专家系统模型、神经网络模型等)依靠控制专家的知识和经验，认识问题和解决问题的方法，以及关于被控制对象特性和环境条件的感性和理性知识，建立控制者的广义模型，利用控制者模型进行主动的系统分析。蒇例如，利用经济领域的大型、多学科、综合型专家系统，对经济大系统的控制、管理和决策，进行咨询、预测和决策分析。这里，专家系统为“智囊团”——控制者的模型。羅“变粒度”分析法芄根据大系统的结构特性，建议采取“变粒度”方法对大系统进行分析，以便适应不同级别、不同层次、不同阶段对系统分析的粒度和精度的需求，并以有助于简化系统分析与信息采集工作，进行并行处理，提高分析效率袁所谓“变粒度”分析方法，就是根据大系统的多级、多层、多段结构特性，对不同的级别、层次、阶段，选取相适应的精度和粒度，建立大系统的“变粒度”广义模型。利用“变粒度”模型，分别对不同级别、层次、阶段的子系统进行分析，可以并行处理。膈对于大系统的宏观控制、高层管理和战略决策，通常，只需要采用粗粒度进行大系统的全局分析、长时程分析。而对于各子系统的微观控制、低层管理和战术决策，可能需要采用细粒度，进行子系统的局部分析、短时程分析。由于采用“变粒度”分析，所以大系统和子系统分析可以具有同样的“相对精度”，否则，若采用“同精度”分析，则难以获得合理的相对精度。肇“动态跟踪”分析法莂所谓“动态跟踪”分析法，是采用智能模型，如自学习模型、自适应模型、自组织模型等，利用模型库及其管理系统的模型查询、模型调用和模型构造功能，对大系统进行计算机动态仿真与跟踪分析。芀采用自学习模型，可以在大系统运行过程中，通过自学或示教，跟踪系统结构或参数的变化，对发展中系统进行仿真和动态分析羈采用自适应模刑，当大系统的运行环境或条件发生变化时，可以对模型的参数或结构，进行校正和修改，以适应环境或条件变化，对不确定系统进行分析。肈采用自组织模型， 当大系统分析的目的、任务、要求有变化，系统结构、参数有变化，运行环境、条件有变化时，可以利用模型库管理系统，对系统模型进行增、删、改，构造面向当前问题的适用模型，从而，可以对发展中系统、不确定系统进行系统仿真与动态跟踪分析。螅从科学方法论的观点看来，大系统分析的方法如图 9-4所示。虿蚈图9-4大系统分析方法袆小结袃本章主要内容如下：莃(1)大系统分析的任务：历史回顾、现状评估、未来预侧；葿(2)大系统分析的内容：技术性能、经济指标、社会效果、生态影响；羇(3)大系统分析的特点：“大~小”系统关系，知识不完备，具有集中、分散、递阶，多级、多层、多段结构；芆(4)大系统分析的方法：“分解-集结”、“定性-定量”、“黑箱白箱”、“主动”、“变拉度”、“动态跟踪”方法。螂由于社会经济、生态环境、工程技术大系统运行状态的好坏，对国计民生具有重大影响，因此，大系统分析时于改善现有大系统运行状态和建设新的大系统都有重要的意义。腿另一方面，由于实际大系统常常是知识不完备、数据不精确、信息不充分的不确知、不确定系统，而且，结构特性具有关键作用，所以，本章着重进行大系统结构特性分析。螄习题莄1大系统分析的目的和任务如何 ?节2.大系统分析有哪些基本内容?羀3.大系统分析有何特点?螆4.大系统分析可采用哪些方法?蒂5.为什么要进行大系统结构特性分析?蚁6.试对你所知的一个大系统实例进行分析。蚀袇第10章大系统控制结构分析袅本章研究大系统的基本结构、大系统的结构变型、大系统的结构进化，以及人体控制系统结构和控制性能的启示。肀10.1大系统的基本结构莀根据各种不同领域 (工程技术、社会经济、生物生态 )的大系统的结构特征，可以归纳出3种基本的控制结构方案：“集中控制”结构方案、“分散控制”结构方案、“递阶控制”结构方案。蚄“集中控制”结构方案羃薀图10-1大系统“集中控制”结构方案膁大系统的集中控制结构方案，如图10-1所示。蚆集中控制方案的结构特征如下：莅(1)控制集中。由控制中心的集中控制器对大系统中备子系统进行集中控制， 统一制订控制决策，发出控制指令。膃(2)观测集中。关于大系统中各子系统的运行状态的信息，都集中传送到控制中心，进行统一的信息处理和集中观测。蚇(3)纵向信息流。具有在集中控制器与被控制对象之间进行交互的纵向信息流，包括：上行的状态观测信息流，下达的控制指令信息流。螇(4)经典信息模式。所谓“经典信息模式”是指集中的控制与观测信息模式，集中控制器对大系统的全局状态，在结构上是可控制、可观测的。蒄(5)辐射式拓扑结构。集中控制器与各子对象之间的控制和观测信息通道形成辐射式的拓扑结构。蚂集中控制系统技术经济性能如下：莇(1)控制有效性。由于控制集中、观测集中，所以功能集中，权力集中，控制中心能够对大系统的全局运行状态，进行统一的、集中的观测和控制 )不存在分散的多个局部控制器之间难以协调的问题，大系统的控制有效性较高。薅(2)运行可靠性。由于控制集中、观测集中，所以故障集中，风险集中。若控制中心的集中控制器发生故障，则大系统全局瘫痪，故系统运行的结构可靠性较低。薂(3)设计简易性。由于经典信息模式，结构上可控制、可观测，所以集中控制系统的设计可应用控制理论方法。但是，当系统规模庞大时，直接应用控制理论方法进行大系统分析和设计，将遇到“维数灾”的困难。肂(4)技术实现性。为了实现大系统的集中控制，通常在控制中心需要采用大型、高速计算机，而为了提高可靠性，可能要采取“双机并联”或“三机表决”的运行方案。此外，控制中心与被控制对象之间有大量信息传输，需要相应的外围接口、数据通信、信号电缆等设备。当距离较远时，还要解决传输过程的信号畸变及抗干扰问题，技术实现难度较大。肈(5)设备经济性。大型、高速计算机的设备投资较大，且需要较高的机房条件，如控制中心的空调设备，如果采用双机或三机方案，设备费用要增加2~3倍。此外，信息传输设备的投资也很大，据统计，电缆设备费用可能占总设备投资的40%~60%。蚆(6)维护方便性。通常，大型的高速计算机的维护工作量较大，要求较高；大量信息的距离较远的数据传输设备，维护也较复杂，而且，大型计算机、传输电缆设备的更新也不容易。羄因此，集中控制方案适用于下列场合：蒁(1)系统规模不太大， 控制中心与被控制对象的现场距离较近的场合， 如车间的集中控制系统；袈(2)系统可靠性要求较低，或者可靠性要求较高，允许采取“双机并联”或“三机表决运行”的场合，如电力系统的中央调度室；蚇(3)用户要求采用集中控制方案，如军事指挥控制中心。肃“分散控制”结构方案羁大系统的分散控制结构方案，如图10-2所示。蕿分散控制方案的结构特征如下：蒅(1)控制分散。由多个局部控制器对大系统进行分散控制， 每个局部控制器只能对相应的局部子系统进行控制，发出局部控制指令。蒅(2)观测分散。由多个局部控制器对大系统进行分散观测， 每个局部控制器只能对相应的子系统进行局部观测，接收局部观测信息。莀(3)横向信息流。为了各局部控制子系统之间的协调，需要进行相互通信，在局部控制器之问具有横向信息流，分为“完全分散”即无横向信息流，不相互通信和“部分分散”即有横向信息流，部分相互通信。荿薆图10-2 大系统“分散控制”结构方案图薄(4)非经典信息模式。具有分散的控制与观测信息模式，局部的分散控制器对大系统的全局状态，在结构上是不可控制、不可观测的。肃(5)回路式拓扑结构。各个分散的局部控制器之间的相互通信 (部分分散)，其横向信息通道形成回路式拓扑结构。聿分散控制系统的技术经济性能如下：薈(1)控制有效性。由于控制分散、观测分散，所以功能分散、权力分散多个分散的局部控制器之间需要进行协调，而依靠相互通信进行协调，存在通信时延、噪音干扰及信号畸变的情况，难以进行全面的、及时的协调，因而人系统全局控制的有效性较低。但是，每个局部控制器任务相对简化，可以就近安装，及时获取观测信息，制订控制策略，发出控制指令，对相应子系统的控制有效性较高，灵活性好。蚂(2)运行可靠性。由于控制分散、观测分散，所以故障分散、风险分散，分散控制器发生局部故障，不会导致大系统全局瘫痪，因此，大系统的可靠性较高。蒃(3)设计简易性。由于非经典信息模式，结构上不可控制、观测，局部的分散控制器对大系统的全局状态是不可控制、 不可观测的，因此，原则上不能直接应用基于经典信息模式的控制理论方法进行分散控制系统设计。有人用反例证明：对于分散控制系统，最优控制理论的“分离定理”不成立，不能随意应用。由于各子系统之间的相互关联，可能发生“再次猜测”现象，存在“发信策略”问题，因此，状态观测与估计和状态控制是相互影响的。袀(4)技术实现性。分散的局部控制器可以用微型或小型计算机实现， _且可在相应的局部子对象附近就地安装，便于控制和观测信号的传输。但是，为了实现协调所进行的相互通信，需要远距离的数据传输和通信设备，并存在通信时延、噪音干扰及信号畸变等技术难题。莅(5)设备经济性。微型或小型计算机，对机房条件要求较低，且局部控制和观测信息传输设备较简单，所以局部控制子系统的投资较少。但是，为了进行协调需要相互通信设备，这将增加总设备费用。肄(6)维护方便性。局部控制器的微型或小型计算机、信号传输设备的维护较简单，设备更新也较灵活，各局部控制器可尽量采用相同型号或系列的计算机和信号传输设备，以简化分散控制系统的软·硬件维修·备用及更新工作·但是，用于协调所需的相互通信设备，将增加系统维护工作的难度。袂因此，分散控制方案适用于下列场合：薀蒆(1)对大系统的协调性要求不高， 或者相互通信比较方便的场合， 如城市交通控制系统；膃(2)系统规模太大，不能或难以进行集中控制的场合，如海洋交通控制系统；莁(3)用户需要采用分散控制方案的场合，如生产协作网。莀“递阶控制”结构方案蒈大系统的“递阶控制”结构方案，如图10-3所示。薅螁图10-3 大系统“递阶控制”结构方案肁递阶控制方案的结构特征如下：芅(1)控制递阶。采取“上级-下级”的分级递阶式控制结构。其中，下级各分散的局部控制器，分别对相应的子系统进行局部控制；上级协调器通过对各局部控制器的协调控制，间接地对大系统进行集中式全局控制，从而实现“集中 -分散”相结合的大系统递阶控制。蚃(2)观测递阶。采取“下级 -上级”的分级式递阶观测结构。其中，下级各分散的局部控制器，分别对相应的子系统进行局部观测；上级协调器通过对各局部控制器的协调观测，间接地对大系统进行集中式全局观测，从而实现“分散一集中”相结合的大系统递阶观测。膀(3)递阶信息流。在“协调器 -各局部控制器 -各子系统”之间，递阶式传递纵向信息流。其中，在“协调器 -各局部控制器”之间，为上级的协调控制与协调观测信息；在“各局部控制器-各子系统”之间，为下级的各局部子系统的控制与观测信息。薇(4)准经典信息模式。 它是递阶的控制与观测信息模式。 协调器通过各控制器在结构上有可能对大系统全局状态进行间接的控制和观测，故称之为“准经典信息模式” 。莆(5)宝塔式拓扑结构。上级协调器与下级各局部控制器、各子系统之间的信息通道，形成宝塔式的树型拓扑结构。螂递阶控制系统的技术经济性能如下：薀(1)控制有效性。递阶控制是以集中控制与分散控制相结合，既有分散的、直接的、及时的局部控制，又有集中的、间接的、全局的协调控制，兼有集中控制和分散控制的优点。因此，对大系统的全局协调及各子系统的局部控制有效性高。芈(2)运行可靠性。由于控制递阶、观测递阶，所以，故障分离、风险分散。下级的局部控制器发生故障， 只影响相应的局部子系统， 相当于分散控制的可靠性。 上级协调器发生故障，将导致全局协调失灵，但各局部控制器仍可继续运行。这时，递阶控制将蜕化为分散控制，大系统不至于完全瘫痪，因此运行可靠性高。蒈(3)设计简易性。因为递阶控制系统具有“准经典信息模式”，在结构上是可控制、可观测的，所以，可以运用“分解-协调”、“分解-集结”、“分解-联合”等方法，推广控制理论中的最优控制、稳定化、模塑化技术，进行递阶控制系统的分析和设计，以消除或缓解“维数灾”。膄(4)技术实现性。各局部控制器可用微型或小型计算机实现，且可与相应的子对象就近安装，便于局部控制与观测信号传输。协调器只进行协调控制，而不必对大系统进行直接全局控制。协调任务相对简化，协调控制与协调观测信息量较小，也使于传输和处理，协调器也可用微型或小型计算机实现。芃(5)设备经济性。由于协调器与各局部控制器都可用微型或小型计算机实现， 因此对机房条件及信号传输设备要求较低，设备投资较少。肈(6)维护方便性。可采用相同型号或系列的微型或小型计算机，简化软、硬件维护。系统结构灵活，便于更新和扩展。芅因此，由于取长补短， 递阶控制兼有集中控制和分散控制的优点， 弥补了各自的缺点，所以，递阶控制结构方案获得了广泛的应用， 是各领域大系统普遍适用的控制结构。如：工程技术领域中的多级计算机控制与管理系统， 社会经济领域中的国家行政管理系统， 生物生态领域中的脊椎动物神经系统等等。芃10.2大系统的结构变型螂实际上，大系统的结构是复杂的、多样化的，它们可能是上述基本结构的各种变型、组合或集成。螈“多级控制”结构方案芇多级控制方案(如图10-4所示)是在基本递阶控制方案的基础上的变型及扩展。其特点如下：蚅(1)级数增多。增加递阶控制的中间级，承上启下，中间级对其上级相当于局控级，对其下级相当于协调级。实际上常用的是三级或四级控制方案，如公司级、工厂级、车间级。膂(2)分程协调。协调级分为长程协调(战略协调、长期规划、宏观协调)和短程协调(战术协调、短期计划、微观协调)。蕿(3)分层局控。局部控制级分为高层控制(最优控制、自适应控制)和低层控制(直接控制、常规控制)。莈(4)同级通信。在中间级或局控级，设置适当的同级通信，进行辅助协调或局部协调，以提高协调的快速性、有效性，减轻上级协调的负担。螃(5)全局反馈。协调级或中间级直接从被控制对象获取全局反馈信息， 以提高协调控制的有效性、快速性。薁艿膅肆羀图10-4 大系统“多级校制”结构方案罿10.2.2“多层控制”结构方案膇大系统多层控制结构方案如图10-5所示。芄多层控制方案是按控制功能分层的一种递阶控制结构变型，其中有直接控制层、最优化层、自适应层、自组织层。蒀(1)直接控制层。对被控制对象进行直接控制 (常规控制)，如P.I.D控制，D.D.C控制等；克服快扰动影响，如负荷波动。螀(2)最优化层。实现最优化，设置直接控制层的定值或指令，克服较快扰动的影响，如信号干扰。芈(3)自适应层。进行自适应擦制，对最优化层进行校正 (目标或约束)，补偿较慢扰动的影响，如对象特性漂移、设备老化等，以适应环境条件变化，保持系统最优运行状态。莂(4)自组织层。实现自组织，进行规划决策、计划协调、组织管理。根据大系统的总任务、目标和资源条件，制订决策，对各层进行组织协调，补偿慢扰动影响，如市场变化等。膃多层控制结构的特点如下：蒀(1)任务均衡。较高层的功能较复杂，扰动较慢，决策权较大，允许决策时间较长；较低层的功能较简单，扰动较快，决策权较小，允许决策时间短。肅(2)人机协调。通常，自组织层是人机系统，计算机辅助决策，可离线、非实时工作；直接控制层、最优化层、自适应层是在线、实时运行。蚅薃芁肇袃羂图10-5 大系统“多层控制”结构方案蚇“多段控制”结构方案膈大系统的多段控制结构方案如图10-6所示。膆莁图10-6 大系统“多段挖制”结构方案蒇多段控制结构方案是递阶控制方案用于分段控制过程的一种变型，其中有分段控制器和衔接器。羅(1)分段控制器。分段控制器为下级局部控制器，分别对各子过程进行控制，即分段局部控制。芄(2)衔接器。衔接器为上级协调器，对相邻两段之间进行衔接配合的协调控制，实现衔接条件，完成大系统的全段控制。袁多段控制方案适用于各种分段控制的大系统。膈(1.)弹道控制。如洲际导弹的弹道控制分为主动段、惯性飞行段、末制导段。各段之间要满足预定的衔接条件，如姿态和轨道参数。肇(2)航天飞机。分为 3段控制：起飞段、轨道飞行段、再入段。而再入段又可分为 3个子段控制：早期再入段、末区能量管理段、着陆段。莂(3)连续生产过程控制。如化工、热工连续生产过程控制，连轧机，机械制造流水线等可按工艺流程或设备条件进行分段控制。芀综上所述，根据实际应用的需要，由基本控制结构的变型或扩展可以构成多级控制、多层控制、多段控制结构方案。羈在上述多级、多层、多段控制方案的基础上可以进一步组合和集成。利用集中、分散、递阶控制等基本结构，以不同的组合或集成方式，如嵌套式、层次式、网络式、框架式等，构成多种大系统的控制结构方案、肈例如：嵌套式多级递阶结构如图

10-7所示。螅在宏观的递阶控制结构中嵌入微观的递阶控制结构；在外层的递阶控制结构中嵌有内层的递阶控制结构。虿蚈图10-7 大系统的嵌套式多级递阶结构袆10.3大系统的结构进化袃在各种不同领域中（如，工程技术、社会经济、生物生态） ，大系统控制结构具有某些共性，如集中、分散、递阶控制等基本结构，而且，控制结构的进化和发展过程，也存在类似的规律。莃工程技术大系统结构进化葿生产过程自动化系统的结构方案的进化可分为 3个发展阶段。羇分散控制（单机自动化）芆1.在20世纪50年代左右，主要采用模拟调节器和仪表进行单变量调节和局部控制，分别实现各单机自动化。从生产过程大系统看来，相当于分散控制结构方案。螂由于没有考虑大系统中的相互关联，各自分别设计的单变量调节系统同时投入运行时，往往不能相互配合，甚至引起大系统不稳定，缺乏有效的协调。腿2.集中控制（机组自动化）螄在20世纪60年代左右，为了实现记住自动化或车间自动化，设置了控制中心或中央控制室，采用计算机或逻辑程序专职进行集中控制。莄由于受到当时计算机容量，速度及可靠性的限制，以及多变量控制系统数学模型和分析设计的困难，在线、实时、闭环的集中控制不易实现，不能获得预期的效果。节3.递阶控制（综合自动化）羀20世纪70年代以来，微型机、小型机及计算机网络技术的迅速发展，企业管理和过程控制相结合，促进了生产过程综合自动化的发展。采用多级计算机进行控制和管理，大系统的递阶控制结构方案。通常，采用三级递阶控制，如图10-8所示。

相应于螆图10-8生产过程的递阶控制结构蒂蚁·车间级(1)。工艺过程控制，如常规仪表控制、直接数字控制，或最优控制、自适应控制。蚀·工厂级(2)。生产调度管理，如采用计算机辅助管理信息系统 (MIS)，进行生产调度优化和计划协调。袇·公司级(3)。企业规划决策，采用计算机决策支持系统 (DSS)，辅助公司决策人员制订长远规划和重大决策。袅肀如上所述，在工程技术领域中、生产过程自动化的大系统结构进化过程如下：莀 单机自动化 ->机组自动化 ->综合自动化蚄 分散控制 ->集中控制 ->递阶控制羃社会经济大系统结构进化薀 人类社会发展历史表明：社会控制 (行政管理)大系统的结构进化过程也可分为 3个阶段。膁1.分散控制(古代社会)蚆在原始社会中，各部落或氏族的酋长分别管理自己的部落或氏族，相互之间有某些来往(通信)，相当于分散控制系统。莅2.集中控制(近代社会)膃在奴隶社会、封建社会，由奴隶主、封建帝王主宰一切，是高度集权中央的社会，以奴隶主、封建帝王为控制中心，相当于集中控制系统。蚇3.递阶控制(现代社会)螇现代社会，国家行政管理或经济管理，普遍采取“中央集权、地方分散”、“大权集中、小权分散”的组织结构，但是集中与分散的比重有所不同，相当于递阶控制系统。蒄 现代社会大系统的控制结构如图 10-9所示。蚂莇图10-9社会系统的递阶控制结构薅 其中协调级、中间级、局控级本身也具有递阶结构，如：国务院及各部委，省政府及各厅局，市政府及各厅局等，形成层次式递阶结构。薂

可见，在社会经济领域中，社会控制

(行政管理

)大系统结构进化过程如下：肂

古代社会

->

近代社会

->

现代社会肈

分散控制

->

集中控制

->

递阶控制蚆生物生态大系统结构进化羄 生物进化过程表明，作为生物调节与控制系统，动物的神经系统的进化也可分为 3阶段。蒁1.分散控制(环节动物)袈环节动物，例如，蚯蚓等，它们的神经系统为链状神经，躯体的各环节分别由各自的神经细胞控制，依次连接成链状神经系统，相当于分散控制结构。蚇2.集中控制(节肢动物)肃 节肢动物，例如，各种昆虫，具有头部、躯体及肢节 (脚、翅)，其中枢神经集中于头部，相当于控制中心， 通过传入和传出的外周神经， 控制躯体及肢节的活动， 如爬行、飞翔，相应于集中控制结构。羁3.递阶控制(脊椎动物)蕿高等动物，例如，脊椎动物(特别是人)，具有多级神经系统，包括高级中枢神经、低级中枢神经及外周神经，相当于递阶控制结构。蒅 人体的生物控制系统是由神经系统、内分泌系统等相互结合所组成的具有递阶结构的多级协调控制大系统，如图 10-10所示。蒅莀图10-10人体控制系统的递阶结构荿因此，在生物生态领域中，动物神经控制系统的进化过程也有类似规律：薆

环节动物

->

节肢动物

->

脊椎动物薄

分散控制

->

集中控制

->

递阶控制肃

综上所述，为什么不同领域的大系统， 其结构进化过程具有类似的规律 ?这是值得深思的问题。研究生物控制大系统的结构特性，对于设计工程技术大系统、社会经济大系统，是富有启发性的。聿10.4人体控制系统结构的启示肃生物控制论的研究结果表明：人体控制系统是结构优越、功能完美的大系统，它基于“神经-体液”相结合的双重体制，是具有多种协调控制作用和多级递阶结构的双重多级协调控制系统。肇双重体制袈 人体控制系统是基于神经控制和体液控制相结合的双重体制的大系统。芅1.神经控制系统是快速、分区控制系统螀神经系统以电脉冲(神经冲动)为信息载体，沿神经纤维快速传递控制或观测信息，其传递速度因神经纤维的粗细、有无髓鞘而异，有髓鞘的粗纤维 (如传出运动神经 )，其传递速度可高达 100m/s以上。无髓鞘的细纤维 (如传人感觉神经 )，其传递速度也有每秒数米或十几米，例如，视觉信息的传递时延约为 100~200ms。神经电脉冲在神经细胞中进行时空整合，引起细胞内膜电位变化，使细胞进人“兴奋”或“抑制”状态。在神经系统中以蒀电脉冲或电位变化的方式，进行信息传递和处理，所以，神经控制过程是快速的 (毫秒级的)控制过程，神经系统是人体的快速控制系统。莇 神经系统分为中枢神经和外周神经，通常外周神经 (传入感觉神经、传出运动神经 )在全身各部位分区定位分布，如颅脑神经、脊神经、内脏神经等。中枢神经与全身各部位有分区定位投射关系，如大脑皮层的投射关系。神经系统可以对全身各部位进行观测，由定位分布的各种感觉器官传入感觉信息(观测信息)，也可以对全身各部位进行控制，由运动神经细胞发出冲动，经传出运动神经控制有关部位。因此，神经控制作用是通过外周神经的分区定位分布和中枢神经分区定位投射关系实现的，神经系统是人体控制系统的分区控制系统。羅袂

2.体液系统是慢速、分工控制系统通常，体液系统包括血液、淋巴液、脑脊液等循环系统。这里，体液控制系统主要指内分泌系统。薈 各种内分泌腺体 (如，甲状腺，肾上腺、胰腺、前列腺等 )所分泌的相应的各种激素，通过血液等体液循环系统流通全身， 产生每种激素所特有的调节和控制作用， 如胰岛素和胰高糖素对人体血糖水平的调节作用， 甲状腺素对新陈代谢的控制作用， 肾上腺素对血压的调节作用等。各种内分泌激素具有各自的控制和调节功能， 所以，内分泌系统具有“分工控制”的体制，是人体控制系统中的分工控制系统。螇 由于体液循环较慢，如血液循环一周约需 20s左右，同时，体液中某种激素含量需要一定的时间进行积累，才能达到阈值浓度，产生相应的控制作用，因此，体液控制过程需要较长时间(秒级)，具有较长的后效，是慢速控制过程。体液控制系统是人体控制系统的慢速控制系统。螆 所以，人体控制系统典有双重体制，神经快速控制与体液慢速控制相结合，神经分区控制与体液分工控制相结合。羃多级递阶控制羀 人体控制系统具有“神经 -体液”的多级递阶结构。膆1．神经系统的多级递阶结构蒆 如图10-11.所示。高级神经中枢包括脑内各级：大脑皮层、大脑半球、丘脑、脑干 (中脑、桥脑、间脑 )及延脑等，相当于协调级。低级神经中枢指脊髓，它分为：颈椎、胸椎、腰椎、尾椎，共 31个神经节段，相当于局控级。它们通过外周神经 (31对脊神经)，分别控制相应的人体各部位 (头颈部、胸部及上肢、腰部、臀部及下肢 )，实现神经的分区控制。螀聿图10-11神经系统的多级递阶结构薅2.体液系统的多级递阶结构羂 如图1.0-12所示。脑垂体相当于协调级， 分泌促激素，对各种内分泌腺进行协调控制。各内分泌腺（如，甲状腺、肾上腺、胰腺、前列腺等)相当于局控级；各自分泌相应的激素 (如，甲状腺素、胰岛素、肾上腺素、前列腺素等 )，通过血液循环对人体进行分工控制。螂膇图10-12 体液系统的多级递阶结构肅协调控制作用蚃袃

人体控制系统的显著特征是具有多种协调控制作用。1.大脑皮层的反射协调蕿 大脑皮层是神经系统的最高级中枢，是整个人体控制系统的高级协调器，不仅对“神经-体液”的双重体制的控制过程只有协调平衡作用，而且由于大脑皮层与全身各部位有相应的分区投射关系，对各种神经反射(反馈)都具有反射协调作用，通过交互抑制，进行协调平衡。此外，大脑左、右两半球，分别交叉控制人体的右、左两半部分，也是一种协调平衡作用。螈2.小脑的运动协调控制蒃 小脑是人体的姿态和运动的协调控制中心，人体各部位 (如，头部.躯体、上肢、下肢等)的姿态和运动的相互配合，才能保持人体的正常姿态和运动的协调平衡。蚀3.交感与副交感神经的拮抗作用蚈交感神经与副交感神经具备相互拮抗的协调平衡作用，如：交感神经兴奋，使血压升高；副交感神经兴奋，使血压下降。两者相互抵抗，内交感与副交感神经的动态平衡，保持人体正常的血压水平。膈4.内分泌激素的动态平衡作用膄 在体液系统中也具有多种方式的协调作用，如内分泌激素的拮抗作用。例如，由胰腺分泌的胰岛素，具有降血糖作用，而胰高糖素具有升血糖作用，两者相互拮抗。胰岛素与胰高糖素的动态平衡，保持人体的正常血糖水平。蚂 值得注意，人体内各种生理、生化参数的稳定，如体温、血压、呼吸、心率、水分等，也都是通过“神经 -体液”的协调控制作用实现的。不同于通常的工业调节和控制，按外部给定值与被调量的偏差进行负反馈控制； 在人体控制系统中， 内部给定值是自行整定的， 按协调偏差反馈实现协调控制。人体的协调控制机理与本书第 15章的多变量协调控制原理肀有类似之处，可谓“殊途同归” 。薇 应当指出，我国中医理论的“经络学说”所论述的人体的“经络系统”也具有多级递阶结构和多种协调控制性能，如：阴阳平衡、五行生克、虚补实泻、表里协同等。需要运用现代科学技术对经络系统进行研究。羄小结螃腿羆蚄薁

本章主要内容概括如下：大系统的基本结构：集中控制、分散控制、递阶控制；大系统的结构变形：多级控制、多层控制、多段控制；大系统的结构进化：分散控制->集中控制->递阶控制；人体控制系统结构的启示：双重体制、多级递阶结构、协调控制机理。薁 由于生物长期进化、自然淘汰，人体控制系统具有优越的结构特性与协调机理，如何研究生物控制系统， 特别是人体控制系统奥妙的特性和抓理， 借鉴于规划、设计和建造工程技术大系统、社会经济大系统，是大系统控制论的重要课题。蒆习题蒅1.大系统的3种基本结构(集中、分散、递阶)各有何优缺点?薂2.大系统的3种结构变型(多级、多层、多段)各有何特点?虿3.不同领域大系统的结构进化的相似性有何启示 ?袅4.人体控制系统的结构特性有什么启示?膅5.试设计一种拟人的工程技术大系统的多级控制结构方案、蚃6.试设计一种拟人的工程技术大系统的协调控制方案。螈第16章大系统协调控制薈本章研究大系统协调控制问题，将多变量协调控制原理拓广到递阶大系统与分散大系统，分析人体大系统的协调控制机制与经济大系统的协调控制策略。袅16.1递阶大系统协调控制蒁 关于多变量控制系统的协调控制原理、概念和方法可以拓广，应用于研究大系统的协调控制问题。膀大系统协调控制的任务是实现大系统的“协调化”。即，通过协调控制，使大系统中的各子系统(小系统)相互协调、相互配合、相互制约、相互促进，从而在实现各小系统子目标、子任务的基础.上实现大系统的总目标、总任务。羈 大系统普通采用递阶控制结构方案，例如，采取“关联平衡”原则进行协调控制的二级递阶控制系统，如图 16-1所示。蚆薂芈莇膂薃薁袇袃莁蝿芆蚃图16-1 递阶大系统的协调控制蒂图中，J为总目标(总任务)；R为总约束(总资源)i，j，为协调偏差i,j为协调变量；NN,uj为局部控mi,mj为假想关联(假想变量)；Aijxj,Ajixi为实际关联(对象藕合)；uijiij制(i=1，2，⋯，N)；xi,xj为局部状态(j=1，2，⋯⋯N)。袈设大系统由 N个子系统组成，其状态方程组如下：蚅莃式中，xi，ui为第i个子系统的状态矢量，控制矢量；Aii，Bi为第i个子系统的对象矩N阵，控制矩阵；Aijxj为第i个子系统的实际关联(藕合)。ji蒄大系统的总任务是实现全局最优化，是总目标函数极小化(或极大化)。膀肅式中，第 i个子系统局部最优化的子目标函数为肄芁式中，Qi，Ri为权重矩阵； xiT，uiT为状态、控制的转置矢量。莈 在图16-1所示的二级递阶控制的大系统中，下级为 N个局部控制子系统，上级为协调器，对各子系统进行协调挖制。这里，协调控制的任务在于适当处理各子系统之间的相互关联(藕合)，在各子系统局部最优化的基础上，通过协调，实现大系统的全局最优化。螈 递阶大系统的协调控制可分两步进行。袄1.分解莂适当处理相互关联(耦合)，将复杂大系统分解为简单子系统，分别并行求解各子系统的局部最优化控制问题。蚁相互关联可体现为模型关联或目标关联，因此，需要进行模型分解或目标分解。例如，采用“非现实分解法”对模型关联进行分解，引人“假想变量”来考虑实际关联的影响：芇薄式中，为假想变量 (假想关联)，i=1，2，⋯，N，从而将大系统的数学模型分解为 N个子系统的数学模型：膀蝿由于假想关联与实际关联可能不同，需要对目标的数进行修正，所以有蚇莅式中，J*为大系统的修正日标的数； Ji*