农业生态系统概述

农业生态系统分析主讲：雍太文Email:yongtaiwen@主要内容

农业生态系统分析概述农业生态系统环境辨识与问题诊断农业生态系统的模型与模型化农业生态系统的系统仿真及系统动力学方法农业生态系统的预测与决策农业生态系统的评价第一章农业生态系统分析概述第一节、系统的概念及特点第二节、系统理论概述第三节、系统分析概论一、系统的概念1.系统思想的形成及演变2.系统的定义3.系统的形态第一节系统的概念及特点1.系统思想的形成及演变古代朴素的系统思想Syn-histanai古希腊学者：德谟克利特、亚里士多德《易经》：八卦说《内经》、《道德经》、《孙子兵法》《易经》：八卦说天、地、雷、风、水、火、山、泽天地定位，雷风相薄，水火相射，山泽通气

《内经》：五行说木、火、土、金、水

木生火，火生土，土生金，金生水，水生木

木克土，土克水，水克火，火克金，金克木

老子：《道德经》独立而不改，周行而不殆，可以为天下母天得一以清，地得一以宁，神得一以灵，谷得一以盈，万物得一以生，侯王得一以为天下正。孙武：《孙子兵法》道、天、地、法、将都江堰水利工程、北宋皇宫修复1.系统思想的形成及演变古代朴素的系统思想

都江堰水利工程示意图深淘滩，低作堰六字旨，千秋鉴分洪排沙宝瓶口引水工程1.系系统统思思想想的的形形成成及及演演变变现代代系系统统工工程程实实践践“曼曼哈哈顿顿工工程程””、、““北北极极星星导导弹弹计计划划””“阿阿波波罗罗计计划划””、、““三三峡峡工工程程””1.系系统统思思想想的的形形成成及及演演变变系统统思思想想的的成成熟熟与与发发展展自然然科科学学的的发发展展：：三三大大发发现现(能能量量转转化化、、细细胞胞和和进进化化论论)辨证证唯唯物物主主义义的的系系统统观观物质质技技术术基基础础恩格格斯斯（（1820——1895））“由由于于这这三三大大发发现现和和自自然然科科学学的的其其他他巨巨大大进进步步，，我我们们现现在在不不仅仅能能指指出出自自然然界界中中各各个个领领域域内内的的过过程程之之间间的的联联系系，，而而且且总总的的来来说说，，也也可可以以指指出出各各个个领领域域之之间间的的关关系系了了。。普朗朗克克（（1858——1947））“科科学学是是内内在在的的整整体体，，它它被被分分解解为为单单独独的的部部分分不不是是取取决决于于事事物物本本身身，，而而是是取取决决于于人人类类认认识识能能力力的的局局限限性性。。””辨证证唯唯物物主主义义“物物质质世世界界是是由由无无数数相相互互联联系系、、相相互互依依赖赖、、相相互互制制约约、、相相互互的的事事物物和和过过程程形形成成的的统统一一整整体体。。现代代科科学学技技术术的的发发展展定量量化化方方法法（（离散散数数学学、、模模糊糊数数学学、、运运筹筹学学等等）电子子计计算算机机的的出出现现系统统思思想想的的出出现现，，彻彻底底改改变变了了人人们们的的思思维维方方式式，，使使人人们们在在改改造造世世界界的的活活动动中中，，逐逐步步地地认认识识并并揭揭示示出出客客观观世世界界的的本本质质联联系系和和内内部部规规律律。。主主要要体体现现在在两两个个方方面面：：一、、是是使使系系统统思思想想、、系系统统方方法法定定量量化化、、科科学学化化，，使使之之成成为为具具有有坚坚实实的的数数学学理理论论基基础础的的，，能能够够定定量量地地处处理理系系统统各各组组成成部部分分联联系系关关系系的的科科学学方方法法；；二、、是是计计算算机机与与信信息息技技术术的的应应用用，，为为系系统统思思想想、、系系统统方方法法的的实实际际运运用用提提供供了了强强有有力力的的工工具具。。正正是是由由于于上上述述两两个个特特征征，，才才使使得得系系统统思思想想方方法法从从一一种种哲哲学学思思维维逐逐步步形形成成了了独独特特的的系系统统理理论论，，并并在在此此基基础础上上形形成成了了一一门门专专门门的的科科学学————系系统统科科学学。。2.系系统统的的定定义义冯··贝贝塔塔朗朗菲菲———系系统统是是相相互互作作用用的的诸诸要要素素的的综综合合体体系统统是是由由两两个个以以上上的的要要素素组组成成的的整整体体。。要素素是是构构成成系系统统的的最最基基本本的的部部分分，，没没有有要要素素就就无无法法构构成成系系统统，，单单个个要要素素也也无无法法构构成成系系统统。。系统统的的诸诸要要素素之之间间、、要要素素与与整整体体之之间间、、以以及及整整体体与与环环境境之之间间存存在在着着一一定定的的有有机机联联系系。。要要素素之之间间若若没没有有任任何何联联系系和和作作用用，，则则也也不不能能称称其其为为系系统统。。系统统要要素素之之间间的的联联系系与与作作用用必必产产生生一一定定的的功功能能。。功功能能是是系系统统所所发发挥挥的的作作用用或或效效能能，，且且是是各各要要素素个个体体所所不不具具备备的的功功能能，，这这种种功功能能是是由由系系统统内内部部要要素素的的有有机机联联系系和和系系统统的的结结构构所所决决定定的的。。系统与要素间间相互作用系统通过整体体作用支配要要素要素通过相互互作用决定系系统特性系统和要素之之间概念是相相对的。⑴系统通过过整体作用支支配和控制要要素系统通过其整整体作用来控控制和决定各各个要素在系系统中的地位位、排列顺序序、作用的大大小以及作用用的范围，协协调着各要素素之间的数量量比例关系等等等。系统整整体稳定，则则要素也稳定定；系统整体体特性和功能能发生变化，，则要素以及及要素之间的的关系也会随随之变化。例如，综合运运输系统的整整体功能，决决定和支配着着作为要素的的水运系统、、公路运输系系统、铁路运运输系统、航航空运输系统统以及管道运运输系统的地地位、作用和和它们之间的的关系，为使使综合运输系系统的整体效效益最佳，就就要求各子系系统必须充分分发挥各自的的功能，就要要对各子系统统之间的关系系进行控制和和协调。⑵要素通过相相互作用决定定系统特性和和功能一般来说，要要素对系统的的作用有两种种可能的趋势势：一、是要素的的组成成分和和数量具有一一种协调、适适应的比例关关系，使得要要素能够维持持系统的动态态平衡和稳定定，并使系统统走向组织化化、有序化；；二、是要素之之间出现不协协调、不适应应的比例关系系，这就会破破坏系统的平平衡和稳定，，甚至使系统统衰退、崩溃溃。例如，对我国国国民经济大大系统而言，，如果构成该该系统的工业业系统、农业业系统、科研研系统等各个个系统都能够够协调发展的的话，就能够够使国民经济济持续、稳定定的发展；但但由于某个系系统发展缓慢慢，与其它子子系统之间出出现了不协调调、不适应的的比例关系，，因而严重制制约了国民经经济的发展，，影响了国民民经济大系统统的整体效益益。⑶系统与要素的的概念是相对对的一个系统相对对于构成它的的要素而言是是个系统，而而相对于由它它和其它事物物构成的大系系统而言，则则是一个要素素（或称子系系统）；同样样，一个要素素相对于由它它和其它要素素构成的系统统而言，是个个要素，但相相对于构成它它的要素而言言，则是一个个系统。比如如，由车辆、、场站、路网网组成了公路路系统，但对对于整个交通通运输系统而而言，公路系系统又是整个个交通运输系系统的要素；；再比如，相相对于交通运运输系统而言言，水运系统统是一个要素素，但它同时时又是由港口口运输系统、、水上船舶运运输系统、航航道系统、物物流系统、信信息系统构成成的系统。3.系统的的形态自然系统统和人人造系统统自然系统是由由自然物等形形成的系统，，自然系统一一般表现为环环境系统，如如海洋系统、、植物系统、、原子核系统统、大气系统统等等。了解解自然系统的的形成及其规规律，是人造造系统的基础础。人造系统是为为了达到人类类所需要的目目的而由人类类设计和建造造的系统，如如工程技术系系统、经营管管理系统、科科学技术系统统就是三种典典型的人造系系统。实际上，多数数系统是自然然系统与人造造系统相结合合的复合系统统。因为许多多系统是有人人参加活动，，由人们利用用科学力量，，认识、改造造了的自然系系统。如社会会系统，看起起来是一个人人造系统，但但是它的发生生和发展是不不以人们的意意志为转移的的，是有内在在规律的。从从人类发展的的需要看，其其趋势是越来来越多的发展展和创造人造造系统。近年年来系统工程程已经越来越越注重从与自自然系统的关关系来研究、、开发、建造造人造系统。。实体系统统和概概念系统统实体是以矿物、生生物、能源、、机械等实体体组成的系统统，如人－机机系统，机械械系统等。2.系统不仅有实实体部分，还还有赖以形成成的概念部分分。概念系系统是由概念念、原理、原原则、方法、、制度等观念念性的非物质质实体组成的的系统，是以以软件为主体体，依附于动动态系统的形形式来表现，，如科技体系系、教育体系系、法律体系系、程序系统统等。3.实践中，实际际系统与概论论系统通常结结合在一起。。实体系统是是概念系统的的基础和服务务对象，而概概念系统是为为实体系统提提供指导和服服务的，两者者不可分开。。3.系统的的形态3.系统的的形态封闭系统和开开放系统MLθBStRθzyX静态系统统和动动态系统统静态系统固有有状态参数不不随时间改变变动态系统把状状态变量作为为时间的函数数对象系统统和行行为系统统对象系统是按按具体研究对对象进行区分分而产生的行为系统为以以完成目的行行为作为组成成要素控制系统统和因因果系统统控制系统为具具有控制功能能的系统因果系统是输输出完全决定定于输入的系系统3.系统的的形态二、系统统的特性1、整体性Fs为系统的整体功能；Fi为各要素的功能整体性原则的的指导意义系统与要素之之间不可分割割二、系系统的的特性性2、相相关性性Q1,Q2,……,Qn为1，，2，，…，，n个个要素素的特特征；；t为时时间；；f1,f2,……,fn表示相相应的的函数数关系系二、系系统的的特性性3、层层次性性/目目的性性目的8目的1目的2目的3目的4目的5目的6目的7目的9目的10目的11目的12目的13二、系系统的的特性性4、动动态性性环境转换机机构（（系统统）输入输出图：系系统与与环境境的关关系三、系系统的的结构构1、系系统结结构的的特性性稳定性性———平衡衡结构构、非非平衡衡结构构层次性性———自然然界系系统的的九个个层次次层次性性第一层层次———静静态结结构系系统第二层层次———简简单动动态系系统第三层层次———反反馈控控制系系统第四层层次———细细胞系系统第五层层次———原原生社社会系系统第六层层次———动动物系系统第七层层次———人人类系系统第八层层次———人人类社社会系系统第九层层次———超超越系系统三、系系统的的结构构1、系系统结结构的的特性性开放型型———结构构不断断变化化相对性性———层次次性决决定了了相对对性三、系系统的的结构构2、系系统结结构分分析———从从系统统内部部来考考察其其组成要要素的的联结结关系系。1）要要素的的联结结2）系系统的的结构构矩阵阵1）要要素的的联结结E1E2y12x12E1E2x21y21E1E2y12x12x21y21a)b)c)图、要要素联联结的的类型型E1E2y12x12a)E1作用于于E2，E1到E2的输入入x12，E1到E2的输出出y12，E1到E2的联结结状态态C12=1,C21=0,x12=C12y12E1E2x21y21b)E2作用于于E1，E2到E1的输入入x21，E2到E1的输出出y21，E2到E1的联结结状态态C21=1,C12=0,x21=C21y21E1E2y12x12x21y21c)C21=1,C12=1要素联联结的的三种种类型型：串串联联联结结并联联联结反馈联联结串联联联结E1E2y12x12E4E3x1x23x34y23y34y42)系系统的的结构构矩阵阵并联联联结E1E2E3E4E5反馈联联结E1E2E3E4E5四、系系统的的功能能系统与与外部部环境境相互互作用用的能能力，，功能能说明明的是是系统统的外外部状状态和和外部部作用用。系统功功能的的特性性：易易变性性相相关性性功能方方法：：功能分分析：：对对要素素的数数量和和质量量的分分析功能模模拟方方法：：以以功能能相似似为基基础，，用模模型再再现黑箱方方法：：考考察系系统输输入、、输出出及其其动态态过程程五、结结构与与功能能的关关系同构异异功同功异异构同构同同功异构异异功第二节节系系统统理论论概述述系统理理论包包括：：1、老三论论（形成成于上上世纪纪四十十年代代）：：一般般系统统论、、控制制论和和信息息论。。2、新三论论（形成成于上上世纪纪七十十年代代）：：耗散散结构构理论论、协协同论论和突突变论论。一、一一般系系统论论创始人人为L.Von.Bertalanffy。。研究领领域：：管理理理论论、运运筹学学、信信息论论、控制论论、哲哲学、、行为为科学学等古代整整体观观形而上上学整整体观观15世世纪下下半叶叶～18世世纪末末辨证整整体观观19世世纪现代系系统观观念机体系系统论论一一般般系统统论古代整整体观观当时的的世界界整体体看法法三大大特征征：1、部部分““偶然然堆积积”，，笛卡卡儿，，还原原论。。“把我我所考考察的的每一一个难难题，，都尽尽可能能的分分成细细小的的部分分，直直到可可以而而且适适于加加以圆圆满解解决的的程度度为止止。””形而上上学整整体观观15世世纪下下半叶叶～18世世纪末末古代整整体观观当时的的世界界整体体看法法三大大特征征：2、机械械观点。。人体是是按力学学性质运运动的机机器，心心脏发条条，神经经油，关关节齿轮轮。3、孤立立存在的的整体，，否认相相互间联联系。“堵塞了了它自己己从认识识个别到到认识整整体，到到洞察普普遍联系系的道路路”形而上学学整体观观15世纪下下半叶～～18世世纪末“搜集材材料”———“整整理材料料”三大发现现，普遍遍联系1、自然然界和人人类社会会都是有有机联系系整体2、对整整体内在在结构揭揭示元素周期期表社社会会系统科科学3、对事事物与环环境相互互关系的的认识进化论古代整体体观辨证整体体观19世世纪引自恩格格斯《反反杜林论论》:“当我们们深思熟熟虑地考考察自然然界或人人类历史史或我们们自己的的精神活活动时，，首先呈呈现在我我们眼前前的是一一幅由种种种联系系和相互互作用无无穷无尽尽地交织织起来的的画面，，其中没没有任何何东西是是不动的的和不变变的，而而是一切切都在运运动、变变化、生生成和消消逝。””“关于机机体概念念的斗争争”（1）活活力论（2）机机械论观观点和还还原论观观点（3）机机体系统统论观点点现代系统统观念一切生物物都是具具有复杂杂结构的的自然系系统，生生物体各各个要素素不能离离开生物物体本身身而独立立存在，，因而对对于生命命现象也也不能用用简单的的分解和和相加的的方法去去解释。。一切生命命系统本本身都处处于积极极的活动动状态，，并随时时与环境境发生着着物质、、能量交交换关系系。一切生命命系统都都具有严严格的等等级组织织，生物物学的主主要目标标就在于于发现生生物各个个层次上上的组织织原理一般系统统论整体性原原则相相关性性原则层次性原原则动动态性性原则现代系统统观念信息论是是研究信信息传输输和信息息处理系系统的一一般规律律的学科科，其基基本思想想是完全全撇开系系统物质质与能量量的具体体运动形形态，而而把系统统的有目目的的运运动抽象象为一个个信息变变换的过过程，来来探求信信息的一一般特征征、传送送规律和和原理。。由于人类类的任何何实践活活动中，，都包含含着人流流、物流流、材流流、能流流和信息息流等各各种流，，其中信信息流起起着支配配的作用用，它调调节着系系统内部部其它流流的数量量、方向向、速度度、目标标，并控控制着人人和物的的有目的的、有规规律的活活动。信息论是是控制论论的基础础。二、信息息论信息科学学简史古代通信信方式语言，文文字驿站，漂漂流瓶，，烽火台台缺点：距距离短，，通信速速度慢通信数量量少，保保密性差差。信息科学学简史近代通信信科学的的产生有线电通通信：1753年英国人架架设导线线，静电电感应电电流语言言1837年美国人莫莫尔斯，，第一台台电报机机，莫尔尔斯电码码，1844年年，64km线线路，首首次电报报通信1866年，英海底底电缆，，横跨大大西洋，，连接欧欧美1875年，贝尔电话话，1878年年，首次次长距离离通信无线电通通信：1865年，英国人人麦克斯斯韦，辐辐射电磁磁场理论论1868年，德国人人赫兹试试验验证证电磁波波存在1889年，俄国人人波波夫夫，“雷雷电指示示器”，，1896年，，250米通信信距离，，第一份份无线电电报；与与此同时时，意大大利人马马可尼1896年6月月在英国国获得第第一个无无线电专专利1901年，意大利利马可尼尼首次横横跨大西西洋接收收无线电电报信息科学学简史近代通信信科学的的产生无线电通通信：20世纪纪发展，，主要信信号放大大，频率率开发，，雷达、、电视应应用1906年，美国人人德特雷雷斯，三三级电子子管，可可放大信信号1926年，英国人人布莱特特通过试试验探测测到电离离层存在在1927年，英国人阿普尔顿顿，发现现电离层层能反射射电波，，从此，，中高频频等无线线电波相相继得到到开发1935年，英国沃沃森·瓦瓦特研制制雷达，，二战中中发挥作作用1937年，英国广广播公司司第一次次播送高高清晰电电视图像像信息科学学简史现代通信信理论———申农农信息论论1948年，美美科学家家申农（（ClaudeElwoodShannon）提出信信息论。。——《通通讯的数数学理论论》、《《在噪声声中的通通信》狭义信息息论：研研究通信信控制系系统中信信息传递递的共同规规律，及及提高信信息传递递的可靠靠性。广义信息息论：利利用狭义义信息论论来研究究一切问问题的理论论。信息论基基本概念念信息：不不确定度度的减小小信息＝（（通信前前不确定定性）－－（通信信后不确确定信））信息量：：某种不不确定度度趋向确确定的一一种度量量1、I=f(p)或或I=g(1/p)2、p(AB)=p(A)p(B)I(AB)=I(A)+I(B)I(A)=log2(1/p)或或I(A)=－log2(p)p大小I小大信息消消息信息量量3、投投掷硬硬币，，某面面朝下下概率率p(A)=0.5,按按照照I(A)=log2(1/p)计计算算得I(A)=log2(2)=1一切二二中择择一事事件包包含信信息量量为1比特特4、一一批福福利品品，优优质品品40％，，合格格品55％％，次次品5％，，随意意抓取取，““某人人拿到到次品品””，这这一消消息的的信息息量为为多少少？I(A)=log2(1/p))=log2(1/0.05)＝＝4.32bt信息量量可能消消息在在传送送端发发生概概率为为先验验概率率，在接受受端出出现概概率为为后验验概率率。实实际通通信中中，可可能消消息送送到接接受端端后仍仍未消消除不不确定定性。。则信信息量量为：：信息量量同一通通信中中包含含大量量不同同消息息，可可以构构成各各种复复合消消息，，必须须有不不同的的信息息量计计算公公式。。消息息A与与B同同时发发生所所构成成的联联合消消息AB，，包含含的信信息量量为：：当且仅仅当A与B互为为独立立的信信息时时，等等号成成立条件信信息：：信息熵熵实际通通信中中，应应关心心整个个消息息序列列，对对整个个消息息序列列的信信息量量进行行度量量。可能消消息集集合的的整体体平均均信息息量称称为““信息息熵””H———信息息源的的熵，，熵越越大，，发送送信息息能力力越大大信息熵熵I(A)=-(0.4log0.4+0.55log0.55+0.05log0.05)=1.22bt/符符号一批福福利品品，优优质品品40％，，合格格品55％％，次次品5％，，信息息熵是是多少少？信息熵熵信息熵熵特性性非负性性对称性性X＝(x1,x2,x3)p1＝＝(1/2,1/3,1/6)P2＝＝(1/3,1/6,1/2),P3＝＝(2/3,1/4,1/12)H1=H2=1.46BTH3=1.19BT极值性性对于一一定可可能消消息数数，熵熵值在在等概概率分分布下下取最最大值值联合熵熵H(XY)≤H(A)+H(B)通信系系统实施通通信活活动的的系统统通信系系统的的结构构：1、信信源与与信宿宿2、信信道3、编编码与与译码码通信系系统1、信信源与与信宿宿信源信宿编码噪声信道译码通信系系统1、信信源与与信宿宿信源：：消息息的来来源。。离散散信源源，连连续续信源源信源特特征有有信息结结构与数量信息结结构两两个要要素可能消消息集集合A=｛a1,a2,……，an｝消息概概率分分布P=｛p1,p2,……，pn｝信息数数量通信系系统1、信信源与与信宿宿信息数数量信息熵熵最大熵熵相对熵熵剩余度度γ通信系系统2、信信道传送信信息的的通道道。有有声信信道、、光信信道、、电信信道，，等等等。按照数数学特特性可可把信信道划划分为为离散散信道道和离离散信信道，，有噪噪声信信道和和无噪噪声信信道，，等等等。信道指指标通信速速度信信道道容量量通信系系统3、编编码与与译码码信息不不能直直接传传递，，必须须先编编码，，再译译码编码按一定定规则则，把把各种种特定定符号号排列列起来来，形形成表表达信信息的的符号号系统统12345678910。—。。—…—。…—。。…——…。—…—。。—。—莫尔斯斯电码码通信系系统3、编编码与与译码码信息不不能直直接传传递，，必须须先编编码，，再译译码译码解调，把经经过调调制的的信号号频谱谱再迁迁移回回去，，变成成原信信号频频谱，，如把把光频频再变变成电电频、、声频频等。。译码，编码码的反反转换换，把把构成成信息息的符符号组组合再再变成成信息息。噪声1、提提高通通信可可靠性性，减减少信信道传传送信信号中中的噪噪声。。2、从从信道道中混混有噪噪声的的信号号中滤滤掉噪噪声，，即信信号检检测、、滤波波的理理论与与技术术。申农信信息论论贡献献：1、理理论上上阐明明通信信的基基本问问题2、提提出通通信系系统的的物理理模型型3、提提出信信息量量的度度量公公式4、初初步解解决如如何从从信宿宿提取取信息息源消消息5、提提出充充分利利用信信道容容量的的途径径（单单边传传送））6、如如何编编、译译码提提高信信道利利用率率广义信信息全全信信息通信工工程关关心的的只是是信息息的语语法特特性。。真实的的通信信包含含三个个方面面：技术问问题；；语义义问题题；效效用或或价值值问题题语义的的定性性与定定量描描述信息具具有价价值属属性，，信宿宿接收收信息息后的的效果果即信信息的的价值值全信息息：综综合了了语法法、语语义和和语用用信息息的信信息。。全信息息理论论：研研究全全信息息的本本质和和度量量即运运动规规律的的理论论现代信信息科科学发发展现代信信息科科学发发展激光通通信，，网络络化，，移动动性，，数字字化，，综合合性，，量子子通信信广义信信息论论关于信信息本本质的的理论论关关于信信息度度量方方法的的理论论关于信信息运运动规规律的的理论论关于信信息产产生、、获取取、变变换、、传输输、储储存、、处理理、显显示、、识别别和利利用的的理论论关于高高级信信息交交换系系统的的理论论信息技技术信息获获取技技术，，信息息传递递技术术，信信息处处理技技术，，信息息存储储技术术，信信息交交换技技术，，信息息安全全技术术三、控控制论论1948年年，美美数学学家维维纳（（NorbertWiener）创立，是是自动控制制、无线电电通讯、神神经生理学学、生物学学等多学科科相互渗透透的产物。。三、控制论论Cybernetics古代自动机机思想和实实践：“铜壶滴漏漏”，““指南车车”，木牛牛流马，老老鼠夹子，，风磨磨面面，瑞士机机械钟表近代控制论论萌芽：：自动调速技技术1787年瓦瓦特发明明蒸气机离离心调节器器伺服机理论论19世纪40年代，，机械化大大生产反馈概念19世纪70年代，，“反馈思思想”，电电学中反反馈三、控制论论Cybernetics现代控制论论的建立和和发展现代控制论论的建立和和发展主要要是同计算算机科学、、信息科学学以及神经经生理学的的建立和发发展联系在在一起的维纳，1948发发表《行为为，目的和和目的论》》麻省理工，，数字计算算机的五点点建议；信息论，滤滤波理论墨西哥心脏脏研究所，，神经反馈馈研究清华大学（（1935～1936）开阔阔视野，积积累知识二战，“自自动火炮””，借助于于反馈调节节概念三、控制论论20世纪以以来控制论论发展三个个阶段经典控制论论阶段（20世纪40～50年代）现代控制论论阶段（20世纪60～70年代）大系统理论论阶段（20世纪70～）三、控制论论从控制论发发展看科学学发展社会发展的的需要是科科学发展的的动力科学的进步步是集体努努力的结果果科学的发明明与科学理理论的建立立有赖于科科学家坚实实的知识基基础没有理论，，社会实践践就不能成成为系统的的科学，实实践也就难难以深入和和系统地发发展三、控制论论控制论分支支情况工程控制论论主要研究具具体工程技技术的控制制系统生物控制论论主要研究生生物系统的的自我调节节、自我复复制及有选选择的反应应环境等问问题。涉及及神经系统统、生理调调节系统、、内分泌系系统、肌肉肉运动系统统等。社会控制论论把控制论基基本原理用用于社会学学、经济学学等社会领领域人工智能主要研究智智能模拟问问题三、控制论论系统与控制制控制为一种种系统现象象控制是一种种有目的的的活动控制与信息息不可分控制系统的的环节—敏敏感、决策策、执行、、中间转换换等环节从无控制到到有控制是是物质世界界进化结果果三、控制论论控制任务定值控制程序控制随动控制最优控制三、控制论论控制方式简单控制只只布置任任务，不检检查效果补偿控制防防患于未未然反馈控制赏赏罚分明明三、控制论论控制系统的的数学描述述黑箱方法输输入激励，，测记输出出响应激励响应关关系传递函数拉普拉斯变变换，引入入频域三、控制论论控制系统的的数学描述述串连系统传传递函数W1(S)W2(S)Wk(S)…三、控制论论控制系统的的数学描述述闭环系统传传递函数U(S)W1(S)W2(S)Y(S)—E(S)三、控制论论控制系统的的性能指标标UMYX1、稳定性性与稳定裕裕度2、控制的的精确性（（控制精度度或稳态误误差）3、过渡过过程特性1）快速性性与过渡时时间T2)平稳性性和超调量量h3）振荡次次数4、结构特特性能能控性、能能观测性、、鲁棒性(Robustness)三、控制论论随机控制自组织控制制三、控制论论大系统控制制系统大导致致：1、分散性性2、不确定定性3、维数灾灾难连续信息采采集多个控制中中心递阶控制（（集中与分分散相结合合的原则））1、多级递递阶控制2、多层递递阶控制3、多段递递阶控制四、耗散结结构理论自组织系统统理论的发发展历史19世纪中中期热力学学的主要成成就及其理理论热力学第一一定律热热力学学第二定律律从19世纪纪热力学中中得出的结结论孤立系统中中，熵趋于于无穷大S=Q/T19世纪热热力学与现现实的矛盾盾热力学认为为，物体总总是由有序序向无序转转化生物科学却却表明，生生物的发展展是无序向向有序，低低级向高级级的进化过过程四、耗散结结构理论自组织系统统理论的发发展历史19世纪以以来科学家家们对热力力学与生物物学矛盾的的解决麦克斯韦妖妖，涨涨落导导致有序生命遗传机机制的量子子论解释，，生生命特特征与生命命有序性贝塔朗菲开开放系统生生物学理论论布里渊《生生命、热力力学和控制制论》自组织系统统理论的诞诞生比利时物理理学家普利利高津，耗耗散结构理理论法国数学家家托姆，突突变理论论德国物理学学家哈肯，，协同理论论四、耗散结结构理论耗散结构理理论简介系统分类孤立系统与与外外界无物质质、能量交交换封闭系统与与外界有能能量、无物物质交换开放系统与与外界有能能量、物质质交换四、耗散结结构理论耗散结构耗散:指指系统与外外界有能量量的交换结构:指在在时间与空空间上相对对有序。硅油产生的的贝纳德花花纹一些雪花骨骨架图案耗散结构理理论就是研研究系统怎怎样从混沌沌无序的初始状状态向稳定定有序的组组织结构进进行演化的过程程和规律，，并且试图图描述系统统在变化的临界界点附近的的相变条件件和行为。。四、耗散结结构理论四、耗散结结构理论1）开放系系统是产生生耗散结构构的必要前前提diSdeSdS＝diS＋deS四、耗散结结构理论2）非平衡衡态是有序序之源平衡态时，，系统内部部各个区域域物质能量量出现平衡衡，不可能能产生流动动。近平衡态时时，系统内内部各个区区域物质密密度或能量量差别较小小，接近与与平衡。远离平衡态态，系统内内部各个区区域物质和和能量分布布极不均匀匀，易于形形成秩序、、具有动态态特征四、耗散结结构理论3）涨落导导致有序功能结构涨落涨落，指系系统某个变变量或某种种行为对平平均值的偏偏离，涨落落是偶然的的、随机的的、杂乱无无章的。近平衡态时时，涨落是是破坏稳定定性的干扰扰。远离平衡态态，随机小小涨落可以以通过非线线性的相关关作用和连连锁效应被被迅速放大大，形成系系统整体上上的巨涨落落，从而导导致系统发发生突变，，形成一种种新的稳定定有序结构构。五、协同学学理论1976年年，德德国理论物物理学家赫赫尔曼·哈哈肯(HarmannHaken)耗散结构理理论主要从从系统内部部与外部环环境的关系系上去研究究协同学主要要从系统内内部各要素素相互作用用的方式上上去研究自自组织机制制协同学不仅仅研究远离离平衡态系系统，也研研究平衡态态封闭系统统；不仅研研究系统无无序到有序序的演化规规律，也研研究从有序序到无序的的演化规律律协同学主要要研究手段段是类比五、协同学学理论组织系统内部的的有序结构构或形成有有序结构的的过程他组织系统靠外部部指令形成成组织自组织系统自动形形成的有序序结构五、协同学学理论系统内的协协同运动是是自组织过过程的内在在依据临界过程程中，涨涨落是形形成有序序结构的的推动力力量开放是自自组织形形成的外外部条件件1)系统统内的协协同运动动是自组组织过程程的内在在依据系统各要要素之间间的协同同是自组组织过程程的基础础。要素素运动存存在两种种趋势：：1、自自发的无无规则运运动（如如分子热热运动、、以私有有制为基基础的生生产无政政府状态态）2、、由于要要素之间间的相互互关联导导致的协协同运动动（如结结晶过程程就是分分子间的的协同运运动，足足球比赛赛时协同同运动））。当无无规则运运动占主主导地位位时，系系统呈无无序状态态；当协协同运动动束缚无无规则独独立运动动而占主主要地位位时，系系统呈有有序状态态（组织织态）。。系统由无无序向有有序转变变，实际际上是系系统内的的无规则则独立运运动主导导地位被被协同运运动取代代的过程程，这一一过程既既可发生生在非平平衡态，，也可在在平衡态态中。由由此区别别与耗散散理论系统内各各序参量量之间的的协同合合作是系系统组织织性产生生的直接接根源。。序参量即即标志系系统有序序性的参参数。（（如磁化化强度、、光场强强度、组组织化程程度等））系统处于于相变临临界点时时，往往往同时有有几个序序参量存存在，而而每个序序参量又又对应着着一定的的宏观组组织结构构。此时时产生序序参量的的竞争，，当一时时不能胜胜出时，，便会协协同合作作，一致致主宰系系统，使使系统呈呈现新的的组织结结构；当当一个序序参量胜胜出时，，系统又又会形成成更高一一级的有有序结构构，系统统的各要要素又以以新的方方式协同同运动。。如贝纳纳德花纹纹。1)系统统内的协协同运动动是自组组织过程程的内在在依据2）临界界过程中中，涨落落是形成成有序结结构的推推动力协同学认认为，无无论系统统处于无无序，还还是有序序状态，，系统内内各要素素间协同同运动依依然存在在，由于系统统要素的的独立运运动或局局部产生生的的协协同运动动及环境境随机干干扰，系系统会有有涨落。。涨落对于于系统由由一种稳稳态向另另一种稳稳态跃迁迁的影响响很大。。当系统统处于临临界点时时，涨落落对系统统影响很很大，此此时由于于系统要要素间独独立运动动和协同同运动进进入均势势阶段，，系统有有序性为为零，任任一微小小涨落会会被放大大至巨涨涨落，推推动系统统进入有有序。但但多少涨涨落会迅迅速衰落落下去，，最终只只有一个个或少数数几个涨涨落影响响全局，，使系统统进入相相应有序序态。涨落是有有序之源源3）开放放是自组组织形成成的外部部条件控制参量量改变系系统要素素间相互互关系和和地位，，改变要要素间协协同方式式和程度度。若外外界不提提供促成成系统要要素间关关联变化化的条件件，系统统不可能能形成自自组织行行为。系统自组组织机制制将外界界提供的的无规则则形式的的物质和和能量进进行加工工，使其其变为有有序形式式。六、突变变论1972年法国国数学家家托姆《《结构稳稳定性和和形态形形成学》》稳定性与与非稳定定性突变过程程本质与与特征突变形式式具有多多样性1）稳定定性与非非稳定性性突变论是是建立在在稳定性性理论基基础上的的。在存在干干扰的情情况下，，只有稳稳定态能能够存在在下去，，非稳定定态上不不能维持持的。由非稳定定态向稳稳定态转转化是客客观事物物运动变变化的普普遍趋势势之一。。2）突变变过程本本质与特特征突变的过过程是系系统由一一种稳定定态经过过不稳定定态向新新的稳定定态跃迁迁的过程程。数学学上表示示为参数数变化对对系统极极值的影影响。突变的特特征：1、多稳稳态性2、中间间非稳态态性3、突变变点是一一个范围围4、突突变结果果带有随随机性。。3）突变形式式具有多多样性突变形式式为不同同质态的的系统在在相互转转化时的的关节点点分布的的几何形形状。控制参量量的个数数不超过过4，突突变过程程共有7种类型型；控制制参量的的个数不不超过5，突变变过程共共有11种类型型；控制制参量的的个数超超过5，，突变类类型趋于于无限。。突变论的应用用物理学上，系系统相变和弹弹性梁弯曲、、非线性振动动、流体力学学等生物学上，建建立心跳的数数学模型，研研究刺激在神神经中传播，，细胞分裂等等社会科学上，，战争预测、、语言学研究究等。七、开放的复复杂巨系统理理论钱学森关于系系统的分类巨系统由几个、十几几个元素或子子系统组成的的是小系统；；由几百个、、上千个元素素或子系统组组成的是大系系统；由成万万上亿个元素素或子系统组组成为巨系统统。巨系统的整体体行为可能涌涌现出显著特特殊性质，如如自组织现象象。巨系统中中还可根据系系统组分和关关联程度复杂杂性分为简单单巨系统和复复杂巨系统。。人脑系统是一一种复杂巨系系统。开放的复杂巨巨系统复杂系统内在在表现为：开放性非线性随机性突现性巨系统复杂巨系统开放的复杂巨巨系统钱学森20年年来系统思想想的三次飞跃跃八、系统理论论的基本概念念牛顿时间与柏柏格森时间有序和无序系统演化和突突现吸引子八、系统理论论的基本概念念（牛顿时间与与柏格森时间间）牛顿力学方程程：傅立叶方程：：柏格森——““物理学时间间和进化论及及生物学时间间不同，前者者可逆，其中中没有新生事事物出现；后后者不可逆，，不断出现新新生事物。””八、系统理论论的基本概念念（有序和无序序）有序性——结结构、行为、、功能的有序序性系统中有序与与无序相伴相相生例如封闭系统统的热扩散和和物扩散：现代系统科学学体系一、系统分析析的基本概念念系统分析产生生于２０世纪纪４０年代末末期的美国兰兰德公司，早早期主要用于于武器系统的的成本效益分分析，６０年年代后，开始始用于社会经经济系统。系统分析：是是通过一系列列步骤，帮助助领导者选择择最优方案的的一种系统方方法。目的—提高问问题的清晰度度方法—用系统统的方法，定定性、定量的的工具分析结结构和状态，，提出方案并并进行评价和和协调任务—提供方方案、评价标标准以及建议议第三节系统统分析概述二、系统分析析的要素（１）目标（２）可行方方案（３）费用（（寿命周期总总费用(LifeCycleCost)）（４）模型（５）效果（（效益和有效效性）（６）准则（（目标的具体体化）（７）结论（（建议，不是是决策）Ａ１Ａ３Ａ２Ａ５Ａ４目标研究模型效果（＋）费用（－）＋－准则Ａ１Ａ２Ａ４Ａ５Ａ３结论（方案排序））图1－