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文档简介
系统科学概论
SystemsScience主要内容
非线性系统理论系统科学的简介
自组织
协同学
复杂网络
控制论
运筹学浅谈《周易》
涌现197586432第1讲系统科学的简介目录Contents系统科学产生的背景系统科学的定义系统科学的体系结构系统科学的形成系统科学的研究对象系统科学的发展1234567
系统科学发端于20世纪20年代,奥地利生物学家L.von贝塔朗菲倡导的机体论就是一般系统论的萌芽,与此同时,英国军事部门的科学家研究和解决雷达系统的应用问题,提出了运筹学,这就是系统工程的萌芽。20世纪40年代,美国贝尔电话公司在发展通信技术时,使用了系统工程的方法。美国研制原子弹的曼哈顿工程,是系统工程的成功实践。美国国防部设立的系统分析部,在军事决策方面运用了系统方法。20世纪50年代,系统科学的理论研究和教学工作全面展开。贝塔朗菲等人创办了《一般系统论年鉴》,H.H.古德和R.E.麦克霍尔完成了专著《系统工程》。美国的麻省理工学院等院校开设了系统工程的课程。20世纪60年代,系统科学在西方、在苏联得到了广泛的传播。系统的理论研究取得了重要的成果,贝塔朗菲发表了《一般系统论——基础、发展、应用》的著作,使系统工程的应用取得了明显的效果。系统科学产生的背景
系统科学把事物看作系统,从系统的演化研究各学科(从物理系统、化学系统、生物系统,到经济系统和社会系统)的共性规律,是各门学科的方法论和基础。系统科学的定义
马克思主义哲学运筹学控制论信息论各门系统工程自动化技术通信技术
系统
学哲学基础科学技术科学工程技术系统论(系统观)钱学森的系统科学体系结构图系统科学的体系结构系统科学是现代科学技术体系中的一个大部门,是一门综合的、横断的新兴科学。科学是内在整体,它被分解为单独的部门不是取决于事物的本质,而是取决于人类认识能力的局限性。实际上存在着由物理到化学、通过生物学和人类学到社会科学的连续的链条,这是一个任何一处都不能被打断的链条----提出量子论的普朗克20世纪初,创立量子论和相对论为标志的宇宙结构学说--基础;20世纪40年代,人类社会和生命系统为代表的“宏观层次”--发展;20世纪后期,大型、复杂工程技术和社会经济问题优化解决---蓬勃发展。系统科学的形成40年代出现了系统论、运筹学、控制论、信息论,为早期的系统科学理论,后出现了系统工程、系统分析、管理科学的工程应用。运筹学:联立约束条件议程和目标函数方程并求解。如运筹学应用的一般程序:
控制论:即输入-输出反馈控制模型,研究生物系统和人工系统的共性和规律。信息论:关于系统的信息传递和处理的科学理论。明确问题结果分析选择模型确定参数计算求解系统科学的形成系统科学研究的一大类系统,控制论从系统外显的目的行为出发,把目的行为和信息的获取、传输和处理关联起来,概括成了一个反馈控制模型。而香农信息论则去除了所谓信息的语义,从信息的语法方面建立了传递信息的通信系统模型。冯.诺伊曼计算机则实现了一种处理信息的“物理符号系统”,这是人类智能物化的伟大起点。目的、行为、控制、信息、语法、语义、智能等本来都是表征人的活动的词汇,由于控制论、信息论的发展,这些词汇也被赋予了机器等人工物。这样运筹学、控制论和信息学的成就,就把科学的定量的系统适用范围,从自然物扩展到人工物,从“物理”扩展到“事理”,为系统科学横断自然科学、社会科学和工程技术的基本特征的形成奠定了基础。系统科学的形成简单系统复杂系统复杂网络复杂任务大型集成系统体系单摆、时钟、汽车等航空航天调度、供应链调度等全球地面观测体系、三峡工程、863计划等人类社会等信息网络等系统科学的研究对象学科本身进一步分化和向微观的方向发展仍很重要。但当今科学技术发展的特征和趋势之一,向着宏观、交叉和复杂的整体化的趋势发展成为主流。大量个体(天体、粒子、原子、分子、生物大分子、细胞、人、社团组织等)怎样组织成形形色色的系统?简单个体怎样运动组织成复杂的系统群体行为,是当代科学研究的一个基本方向。(如可持续发展、经济全球化等)----系统、秩序和组织系统科学的发展第2讲非线性系统理论目录Contents走进非线性非线性特性非线性系统线性化描述当作非线性非线性系统行为特征启示1234567一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀销能力导致一个月后德克萨斯州的一场龙卷风蝴蝶效应非线性?瓶颈型指数型折叠型变比型滞后型间断(跳跃)型失灵型饱和型拐点型循环型非单调型螺旋升降型多值相应型过犹不及型振荡型非线性特性两个变量不按固定的比率变化如:弹簧系统的长度L与作用力F的关系F=kL在一定阶段后逐步趋向于或保持在某一常数值“饱和特性”如:C图为某一地区的种群增长率(如池塘鱼群)曲线在拐点处前后弯曲程度不同如:社会的经济政治文化,个人的思维和心理活动(i)(ii)代表抛物线,(iii)反映了“一波三折”自变量x太过(x2)与不及(x1)对应的函数值相同如:事情做得过头,就跟做得不够一样,都是不合适的不规则振荡正弦波动如:心跳如:声波(i)为一元多线(ii)为多值函数“一因多果”如:一场大雨能使水稻长势更旺,却使棉花落铃减产如:事物周而复始的运动如:辩证哲学中事物的螺旋式上升肯定——否定——否定之否定函数在自变量的某些点上发生不连续的变化“间断特性”如:中彩票的收入变化在自变量x的一定范围内函数y的值为0“失灵特性”如:出台一项政策函数连续而它的导数发生不连续的变化“折叠特性”如:街道的拐角如:市场经济的滞后性自变量不断增大,因变量却停滞不前如:下课时段,学生街小巷子的拥挤人群(1)是非指数式变化的(2)是指数式变化的如:细胞癌变,金融海啸非线性系统不满足叠加原理基本特征下面我们考察以下抛物线函数描述的响应特性:非线性系统本质非线性平庸非线性弱非线性非本质非线性非平庸非线性
对非线性现象的粗略分类:强非线性X2弱于X3单调变化的弱于非单调变化的小范围看是弱非线性,大范围看是强非线性连续、光滑变化——非本质不连续、非光滑变化——本质能产生奇异行为的——非平庸非线性非线性系统的线性化描述最简单的一维非线性系统,动力学方程的一般形式为:
按泰勒公式展开的无穷级数:近似表示为以下线性系统:
“非线性是对线性的偏离”非线性余项“略去非线性余项”
对非线性系统的局部线性化处理:非线性系统的线性化描述局部线性化加微扰方法:线性化近似处理高次项为扰动因素对结论加以修正
分段线性化方法:用一系列首尾相接的折线段近似代表曲线。如:沿曲折的海岸线修路把非线性当作非线性非线性系统的线性化系统科学二者对比研究的主要对象是非线性只限于处理非本质的非线性问题把非线性当作余项把非线性当做线性来对待把非线性当作主项保留系统产生的多样性,奇异性,复杂性的根源非线性系统的稳定性
一维系统:不动点方程:即均为不动点轨道稳定性的非划一性非线性系统的稳定性
李亚普诺夫第一方法
(线性近似法)线性化处理,线性稳定性分析李亚普诺夫第二方法
(直接法)直接构造函数,按其性质判断非线性系统稳定性的判别方法非线性系统的相图极限环多维环面12345鞍点引出的轨道:鞍沿如:地球表面上的分水岭非线性系统的吸引子线性系统非线性系统类型数量吸引域系统演化点吸引子,环吸引子,奇怪吸引子,“混沌边缘”等可能存在几个吸引子划分为若干区域,每个吸引子只能刻画吸引域中的系统行为有多种可能前途,系统演化过程中对其进行选择。只存在点吸引子至多只有一个整个相空间只有一种前途非线性系统的自激振荡非线性系统自激振荡稳定:自持振荡不稳定:非自持振荡极限环
系统在没有周期性外作用力驱动下由于本身的非线性效应而自发出现周期运动。
判断一个非线性系统有无极限环非线性系统的自激振荡极限环孤立的闭合轨道周围无闭合轨道,只有螺旋型轨道对周围的轨道要么吸引,要么排斥一类定态代表系统的一类典型的运动体制中心点非闭合轨道周围有无穷多条闭合轨道对附近的闭合轨道既不互相吸引,也不相互排斥附近的闭合轨道是系统的扰动态不代表系统的一种典型运动体制非线性系统的非平庸行为自激振荡多吸引子并存混沌运动……——非线性系统的各种非平庸行为
以上都是非线性相互作用产生的系统现象,反映的是系统的整体涌现性。非线性系统的双稳态势垒稳定不动点A不稳定不动点C稳定不动点B非线性系统的双稳态花瓶?脸型?
诗歌风格
美国政治体制豪放派婉约派共和党民主党非线性系统的双稳态并非所有的非线性系统都具有双稳态控制空间的吸引域决定了系统的的体制在双稳态体制下,稳态之间的转换必须跨越横亘在两个稳态之间的势垒
非线性系统双稳态应注意的问题:启示1、现实世界本质上是非线性的2、把非线性当作非线性来处理是非线性
科学的方法论原则3、非线性是现实世界无限多样性、
丰富性、奇异性和复杂性的来源4、非线性系统多吸引子共存并且相互竞争第3讲运筹学目录Contents运筹学的概念运筹学的发展运筹学的特点运筹学的工作步骤运筹学的内容1234567
运筹学是运用科学的方法(如分析、试验量化等)来决定如何最佳地运营和设计各种系统的一门学科。运筹学,用定量化方法了解和解释运行系统、为管理决策提供科学依据的学科。它把有关的运行系统首先归结成数学模型,然后用数学方法进行定量分析和比较,求得合理运用人力、物力和财力的系统运行最优方案,是系统工程学和现代管理科学中的一种基础理论和不可缺少的方法、手段和工具。35运筹学的概念
中国古代的“孙子兵法”在质的论断中渗透着量的分析(1981年美国军事运筹学会出版了一本书,书中第一句话就是说孙武子是世界上第一个军事运筹学的实践家),中国古代运筹学思想的例子还有:田忌赛马、围魏救赵、行军运粮,等等。国外历史上的阿基米德、伽利略研究过作战问题;第一次世界大战时,英国的兰彻斯特(Lanchester)提出了战斗方程,指出了数量优势、火力和胜负的动态关系;美国的爱迪生为美国海军咨询委员会研究了潜艇攻击和潜艇回避攻击的问题。运筹学的发展
1938年7月,Bawdsey(波德赛)雷达站的负责人A.P.Rowe(罗伊)提出立即进行整个防空作战系统运行的研究,并用“OperationalResearch”一词作为这方面的描述,这就是运筹学这个名词的起源。
1940年,以Blackett为首的一个研究小组(代号“Blackett
马戏团”),研究如何改进英国的空防系统,提高英国本土防空能力。这类小组包括物理家、数学家、生物学家、天文学家和军官等。运筹学的发展定量化分析多学科交叉,如综合利用了心理学、经济学、物理、化学等方法最优决策运筹学的特点1)提出和形成问题,2)建立模型,3)求解,4)解的检验,5)解的控制,6)解的实施。运筹学的工作步骤库存论搜索论可靠性理论图论规划论对策论决策论排队论运筹学的内容内容主要分为四部分:规划论
规划论又叫“分配理论”,它是运筹学的一个重要分支。规划论是研究对有限资源进行合理分配、全面安排、统筹规划,以取得最佳效果的一种数学理论。运筹学的内容规划论的方法1:线性规划
这里最简单的一种问题就是线性规划。如果约束条件和目标函数都是呈线性关系的就叫线性规划。要解决线性规划问题,从理论上讲都要解线性方程组,因此解线性方程组的方法,以及关于行列式、矩阵的知识,就是线性规划中非常必要的工具。线性规划及其解法—单纯形法的出现,对运筹学的发展起了重大的推动作用。许多实际问题都可以化成线性规划来解决,而单纯形法有是一个行之有效的算法,加上计算机的出现,使一些大型复杂的实际问题的解决成为现实。运筹学的内容运筹学的内容运筹学的内容规划论的方法2:非线性规划
非线性规划是线性规划的进一步发展和继续。许多实际问题如设计问题、经济平衡问题都属于非线性规划的范畴。非线性规划扩大了数学规划的应用范围,同时也给数学工作者提出了许多基本理论问题,使数学中的如凸分析、数值分析等也得到了发展。运筹学的内容规划论的方法3:动态规划还有一种规划问题和时间有关,叫做“动态规划”。近年来在工程控制、技术物理和通讯中的最佳控制问题中,已经成为经常使用的重要工具。
运筹学的内容对策论又叫“博弈论”,它是研究竞争局势对抗模型和搜索最优对抗策略的一种教学方法。对策论的研究对象是有厉害关系冲突的双方在竞争活动中的各自对策现象。运用对策论的方法,在各方具有一定行为规则的情况下,可以根据对方可能采用的策略和手段来决定对付对方的办法,以使自己在对抗竞争中处于有利的地位。创建对策论学科的冯·诺依曼看耶鲁大学博弈论课程视频运筹学的内容对策论决策论
决策论又叫做“判决理论”,它是研究决策问题的基本理论和方法。所谓决策就是根据客观可能性,借助一定的理论、方法和工具,科学的选择最优方案的过程。决策理论大致可以分为传统决策理论和现代决策理论。传统决策理论中将决策者作为整个决策过程的核心,认为他们在决策时具有绝对理性,将会自然地遵循最优化原则,从而选择合适的实施方案。现代决策理论因为认识到一个人思维的局限性以及现实问题的复杂性,而强调决策者应该采用一种客观的、全面的决策方法去处理问题,其核心是令人满意的决策原则。运筹学的内容排队论
排队论又叫随机服务系统理论。最初是在二十世纪初由丹麦工程师艾尔郎关于电话交换机的效率研究开始的,在第二次世界大战中为了对飞机场跑道的容纳量进行估算,它得到了进一步的发展,其相应的学科更新论、可靠性理论等也都发展起来。排队论主要研究各种系统的排队队长,排队的等待时间及所提供的服务等各种参数,以便求得更好的服务。它是研究系统随机聚散现象的理论。因为排队现象是一个随机现象,因此在研究排队现象的时候,主要采用的是研究随机现象的概率论作为主要工具。此外,还有微分和微分方程。排队论把它所要研究的对象形象的描述为顾客来到服务台前要求接待。运筹学的内容库存论
库存论是一种研究物质最优存储及存储控制的理论,物质存储时工业生产和经济运转的必然现象。如果物质存储过多,则会占用大量仓储空间,增加保管费用,使物质过时报废从而造成经济损失;如果存储过少,则会因失去销售时机而减少利润,或因原料短缺而造成停产。因而如何寻求一个恰当的采购,存储方案就成为库存论运筹学的内容研究的对象。如果服务台以被其它顾客占用,那么就要排队。另一方面,服务台也时而空闲、时而忙碌。就需要通过数学方法求得顾客的等待时间、排队长度等的概率分布。搜索论
搜索论是由于第二次世界大战中战争的需要而出现的运筹学分支。主要研究在资源和探测手段受到限制的情况下,如何设计寻找某种目标的最优方案,并加以实施的理论和方法。在第二次世界大战中,同盟国的空军和海军在研究如何针对轴心国的潜艇活动、舰队运输和兵力部署等进行甄别的过程中产生的。搜索论在实际应用中也取得了不少成效,例如二十世纪六十年代,美国寻找在大西洋失踪的核潜艇“打谷者号”和“蝎子号”,以及在地中海寻找丢失的氢弹,都是依据搜索论获得成功的。
运筹学的内容可靠性理论
可靠性理论是研究系统故障、以提高系统可靠性问题的理论。可靠性理论研究的系统一般分为两类:(1)不可修系统:如导弹等,这种系统的参数是寿命、可靠度等,(2)可修复系统:如一般的机电设备等,这种系统的重要参数是有效度,其值为系统的正常工作时间与正常工作时间加上事故修理时间之比。运筹学的内容图论
图论是一个古老的但又十分活跃的分支,它是网络技术的基础。图论的创始人是数学家欧拉。1736年他发表了图论方面的第一篇论文,解决了著名的哥尼斯堡七桥难题,相隔一百年后,在1847年基尔霍夫第一次应用图论的原理分析电网,从而把图论引进到工程技术领域。20世纪50年代以来,图论的理论得到了进一步发展,将复杂庞大的工程系统和管理问题用图描述,可以解决很多工程设计和管理决策的最优化问题,例如,完成工程任务的时间最少,距离最短,费用最省等等。图论受到数学、工程技术及经营管理等各方面越来越广泛的重视。运筹学的内容
运筹学已被广泛应用于工商企业、军事部门、民政事业等研究组织内的统筹协调问题,故其应用不受行业、部门之限制;运筹学既对各种经营进行创造性的科学研究,又涉及到组织的实际管理问题,它具有很强的实践性,最终应能向决策者提供建设性意见,并应收到实效;它以整体最优为目标,从系统的观点出发,力图以整个系统最佳的方式来解决该系统各部门之间的利害冲突。对所研究的问题求出最优解,寻求最佳的行动方案,所以它也可看成是一门优化技术,提供的是解决各类问题的优化方法。运筹学的内容第4讲控制论目录Contents控制论的产生控制论的基本概念控制系统控制论系统控制论的运用1234567
控制论是第二次世界大战后发展起来的一门新兴横断科学。随着1948年美国著名数学家维纳所著《控制论》一书的发表,这才宣布了控制论这门新兴横断科学的诞生,在短短几十年的历史中,控制论这门学科便以神奇的力量迅速发展起来,并渗透到人类活动的诸多领域,涉及科学技术的几乎所有部门。现在,越来越多的人们开始注目于控制论,试图用这种近代科学方法,指导自己的实践活动。控制论的产生社会背景
第二次世界大战成为推动控制论研究的客观动力,通过对控制论的研究,使控制论的许多核心问题在无形中获得了突破和解决。另一方面,在“二战“期间,各国对资源的开发利用大大加快。加快生产过程的自动化是促使控制论得以迅速发展的动力。如何把控制的功能更多地交给机器来完成,也是促使控制论产生和发展的客观因素之一。
控制论的产生理论渊源
控制论是一门横断科学,它的发展是建立在很多其他学科研究成果的基础上的。在这里,只介绍对控制论的建立和发展起决定性作用的三个主要方面。数学和物理学
控制论是建立在可能性空间的基础上的,很多系统的运动或状态下不能够精确预见,而是带有偶然性。因为系统运动具有多种可能状态,在给定条件下便具有某种概率分布,服从一定的统计规律,控制论研究这类系统就必然要用到数学中的统计数学。同时,控制论研究的系统也是一种动力学系统,所以控制论还要用到物理学中的统计力学。控制论的产生生命科学
生命科学为控制论的产生提供了可供类比的对象。控制论的研究最初是和生命科学的研究联系在一起的,生命科学中对于很多现象的研究,如刺激与响应、抑制与兴奋等,是控制论中不少概念、理论、技术产生的来源。控制论的产生
计算机科学和逻辑学的发展与控制论的产生和发展互为因果、相互促进。一方面,控制论要模拟人的智能,利用二进制进行运算的电子计算机的出现,使得人们借助计算机模拟人的智能行为成为可能。另一方面,逻辑学作为人类思维过程的理论总结,必然也是控制理论的研究基础之一,特别是在无法弄清楚系统内部的具体机制时。计算机科学和逻辑学
什么是控制
我们把控制理解为:根据信息选择目的的行为及实现这一行为的过程。
然而,并不是所有事物都可以实施控制的,控制的实现需要一定的条件,必须具备以下三个条件:1、被控对象必须存在多种发展变化的可能性2、目标状态在各种可能性中是可选择的3、系统须具备一定的控制能力控制论的基本概念控制论的定义与分类
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。
控制论按其发展过程分类,可以分为古典控制论和现代控制论。
控制论按其应用范围分类,可以分为生物控制论、社会控制论、工程控制论、智能控制论等。控制能力
控制能力必须能够改变和创造条件,使事物朝着第二条所选的目标方向转化发展。如果我们用F表示控制能力,
控制论的基本概念
用M表示实施控制前事物的可能性空间,m表示事物在控制后缩小了的可能性空间,那么控制能力可以用下式表示:F=M/m。输入与输出
我们把环境对系统的作用和影响称为系统的输入,而把系统对环境的作用和影响称为系统的输出。系统的输入可以分为可控输入和不可控输入。系统的输出是系统对输入进行反应并加工的结果,
是输入的函数,输出的集合反映了系统的行为效应。控制论的基本概念
反馈
所谓反馈,就是系统的输出对于输入的影响。系统对于环境的适应性,主要靠反馈来实现。系统输出的部分或是全部,通过一定的通道又成为系统输入的一部分,从而对系统的输入和再输出产生影响,这个过程就是反馈。根据反馈后果不同,反馈可以分为正反馈和负反馈。
图1反馈环回路
控制论的基本概念被控对象反馈控制系统及其分类
一个简单的控制系统,由两个最基本的部分组成——施控主体系统和受控客体系统,施控主体也叫施控装置,受控客体也叫被控装置。前者具有导向作用,具有产生目的的功能,后者的目的性是在前者的控制下实现的。
现代控制理论根据控制系统的控制方式不同,将控制系统分为三类,即开环控制系统、闭环控制系统和组合控制系统。根据控制的目的可以将控制系统分为稳定控制、程序控制、随动控制、最优控制;按照目标值的不同,可以分为定值控制、追值控制、最大值与最小值控制等等。控制系统
控制系统的主要方法
在研究控制系统的过程中,人们逐步形成、发展和完善了许多科学方法,最主要的有功能模拟方法、黑箱方法、反馈控制方法等。
功能模拟方法
模拟方法是一种传统的科学方法。功能模拟法,就是用功能模型来模仿客体原型的功能和行为的方法。所谓功能模型就是只以功能行为是相似为基础而建立的模型。控制系统
黑箱方法
所谓黑箱方法,就是运用相对独立的原则,通过分析系统的输入、输出及其动态过程,而不必直接考察其内部结构,来定量或定性地认识系统的功能特性、行为方式,以及探索其内部结构和机理的一种控制论认识方法。
反馈方法
所谓反馈方法,是指用系统活动的结果来调整系统活动的方法。反馈方法的特点就是根据过去的操作情况来调解未来的行动,使系统演化以接近我们的预期目的。控制系统控制系统的性能指标
稳定裕度
稳定裕度,形象的说法就是稳定性的富裕程度。控制系统必须具备足够的稳定裕度,才能充分发挥其系统功能。
控制精度
受控量的稳态值与预定值之差的绝对值。
动态特性
对于控制系统的过渡阶段,要求测量多种特性指标,一般有过渡时间T、超调量h、振荡次数N等。控制系统
过渡时间T
从控制开始启动到系统进入稳态误差允许范围后不再越出边界的最短时间T就是过渡过程时间。
超调量h
在控制系统的过渡过程中,受控量y在很多时候是以振荡的方式逼近预定值y0的。若令其中偏离最远的振荡受控量为ymax,即ymax为过渡过程中y的最大值,那么超调量h定义为振荡过程中的最大振幅:h=|ymax-y0|。
振荡次数N
在0~T的过渡时间内受控量y的振荡次数。控制系统控制论系统
控制论系统这个概念一方面定义了一类系统,它是控制论的研究对象之一;另一方面它提出了特定的控制规律,可形成专门的研究方法和途径。那么什么是控制论系统呢?现在很多人,甚至包括研究控制的人,都容易把控制论系统和控制系统相混淆。实际上,控制论系统好和控制系统是不同的,控制论系统专指带有反馈的控制系统,即它是一种闭环控制系统,涵盖的范围显然不及控制系统广。
控制论系统
一个企业系统其生产、管理、运营的活动过程可以抽象为如图所示的控制系统,即包括了反馈的控制系统。控制论系统控制论系统的基本规律
控制器对偏差信号进行转换或处理的规律,就是控制论系统的控制规律。
设控制器的输出为u(t),输出的偏差的函数,可用如下关系来表示:u(t)=F[e(t)]
此式即为系统的控制规律。
控制论系统图3控制论系统的反馈环节
目前常用的控制规律有以下几种
位式控制规律
位式控制规律就是控制器的开关控制规律,对应于不同的偏差,控制器为二值输出,要么开启,要么关闭。
比例控制规律
比例控制规律,就是在控制器输出与偏差之间增设一个比例关系,它是对位式控制中受控量无稳态值的一种改进。
比例积分控制规律
比例积分控制规律,除了设定控制器的输出与偏差成正比外,系统同时还对偏差进行时间积分。
控制论系统
控制器的输出信号c(t)同时成比例地反应输入信号ε(t)和输入信号ε(t)的积分。
其方程为:
式中:k↓p为比例系数;T↓i为积分时间常数。
比例积分微分控制规律
比例积分微分控制规律的表达式:PID控制规律是一种较理想的控制规律,它在比例的基础上引入积分,可以消除余差,再加入微分作用,又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。控制论系统控制论的理论内容
在实际运用中,控制理论主要有以下相关内容。
最优控制理论
这是现代控制论的核心内容,主要应用于工程控制系统和社会控制系统。对于多输入和多输出的现代的控制系统,最优控制理论强调采用动态的控制方式,通过各种数学模型方法,力图有效地解决大型复杂系统的设计和控制问题,以实现系统整体和过程的最优化。控制论的运用
自适应、自学习控制理论
自适应控制系统是一种前馈控制系统,就是在环境条件还没有影响到控制对象之前,就通过预测而进行控制的一种方式。所谓自学习控制系统,就是系统具有自我学习的机制,能够按照自己在运行过程中的经验,逐步改进机器的控制算法,使之趋于理想状态。
模糊控制理论
模糊控制理论建立在模糊数学的基础上,主要用于解决一些不确定性系统的控制问题。控制论的运用
大系统控制论
大系统控制论是现代控制论最新发展的一个重要领域,它是系统工程中解决大系统整体与部分、整体与外界环境之间的相互关系,以达到最优控制的理论和研究方法。控制论的运用概况
控制论自它诞生之日起,就与生物结下了不解之缘。从控制论的创始人维纳的奠基性著作《控制论》一书中的内容即可见一斑。如今,生物控制论已经是一门发展非常迅速,有着广阔前景的新兴学科。
控制论的运用
人工智能是控制论的一个崭新的应用领域,也是实现智能控制的主要途径。作为一门新兴的边缘学科,人工智能的目标是研究如何使用机器具有认识问题与解决问题的能力,从而实现人类劳动的第二次解放,即脑力劳动的解放。
控制论向社会、经济等领域渗透,形成了社会控制论和经济控制论。控制论研究社会、经济的一个基本方法,就是用数学公式来描述社会经济现象,也就是建立所谓的社会经济系统模型。然后,用控制理论的方法按最优反馈控制来求解,由此得出计划、管理过程的最优策略,为社会、经济的领导者提供科学的决策依据。控制论的运用第5讲复杂网络目录Contents复杂网络典型的复杂网络应用影响其拓扑结构的性能的因素复杂网络分类123467这部分将从三个方面介绍复杂网络:概念,特性,主要表现方面。复杂网络1.1复杂网络的概念我国著名科学家钱学森给出了复杂网络一个较严格的定义:具有自组织、自相似、吸引子、小世界、无标度中部分或全部性质的网络称为复杂网络。自组织:如果一个系统靠外部指令而形成组织,就是他组织;如果不存在外部指令,系统按照相互默契的某种规则,各尽其责而又协调地自动地形成有序结构,就是自组织。Figure1.网络自组织复杂网络自相似:一种形状的每一部分在几何上相似于整体,一般对分形而言。
复杂网络吸引子:相空间(可以表示出一个系统所有可能状态的空间)中稳定的不动点集。海纳百川,大海就是百川的吸引子落叶归根,树根就是叶子的吸引子热力学系统的平衡态就是该系统的吸引子
复杂网络SixDegreesofSeparation有一个数学领域的猜想,名为SixDegreesofSeparation,中文翻译包括以下几种:六度分割理论或小世界理论等。理论指出:你和任何一个陌生人之间所间隔的人不会超过五个,也就是说,最多通过五个中间人你就能够认识任何一个陌生人,见图所示。这就是六度分割理论,也叫小世界理论。复杂网络小世界:
Figure2.小世界网络图复杂网络无标度:
Figure3.无标度网络图复杂网络幂律幂律来自上世纪20年代对于英语单词频率的分析,真正常用的单词量很少,很多单词不常被使用,语言学家发现单词使用的频率和它的使用优先度是一个常数次幂的反比关系。简单来说,幂律就是两个通俗的定律,一个是“长尾”理论,只有少数大的门户网站是很多人关注的,但是还有一个长长的尾巴,就是小网站,小公司。长尾理论就是对幂律通俗化的解释。另外一个通俗解释就是马太效应,穷者越穷富者越富。复杂网络幂律分布复杂网络1.2复杂网络的特性复杂网络一般具有以下特性:小世界,集群,度,相似性,介数。
复杂网络集群:集群即集聚程度(clusteringcoefficient)的概念。
Figure4.网络集群图度:度指的是网络中节点与节点关系(用网络中的边表达)的数量。
复杂网络相似性:节点u和v的相似性反应的是节点u和v的相同邻居节点的情况。Figure5.节点相似性图介数:节点u的介数含义为网络中所有的最短路径之中,经过u的数量。它反映了节点u的影响力。影响力:蝴蝶效应,洛伦茨吸引子,混沌(天气预报)复杂网络1.3复杂网络的主要表现方面复杂网络简而言之即呈现高度复杂性的网络。其复杂性主要表现在以下几个方面:
复杂网络结构复杂:表现在节点数目巨大,网络结构呈现多种不同特征。
Figure6.Internet在自治系统层次上的拓扑图网络进化:表现在节点或连接的产生与消失。例如WorldWideWeb,网页或链接随时可能出现或断开,导致网络结构不断发生变化。
复杂网络连接多样性:节点之间的连接权重存在诧异,且有可能存在方向性。
Figure7.药物复杂网络带权图复杂网络的统计特性-平均路径长度平均路径长度:网络研究中,一般定义两节点间的距离为连接两者的最短路径的边的数目;网络的直径为任意两点间的最大距离;网络的平均路径长度l则是所有节点对之间距离的平均值,它描述了网络中节点间的分离程度,即网络有多小。复杂网络研究中一个重要的发现是绝大多数大规模真实网络的平均路径长度比想象的小得多,称之为“小世界效应”。复杂网络尽管许多实际的复杂网络的节点数巨大,网络的平均路径长度却小得惊人,具体地说,一个网络称为是具有小世界效应的,如果对于恒定的网络节点平均度,平均路径长度L的增加速度至多与网络规模N的对数成正比。平均路径长度复杂网络聚类系数假设网络中的一个节点i有Ki条边将它和其他节点相连,这Ki个节点之间最多可能有Ki(Ki-1)/2条边,而Ki个节点之间实际存在的边数Ei和总的可能的边数Ki(Ki-1)/2之比就定义为节点i的聚类系数Ci,即Ci=2Ei/(Ki(Ki-1))复杂网络整个网络的聚类系数C就是所有节点i的聚类系数Ci的平均值。在很多类型的网络当中,随着节点数目的增多,它的聚类系数会趋向于某一个非零常数,在某种程度上有”物以类聚“的特性。1.3复杂网络的主要表现方面
Figure8.社会关系网复杂网络动力学复杂性:节点集可能属于非线性动力学系统,例如节点状态随时间发生复杂变化。
Figure9.复杂网络随时间变化图复杂网络节点多样性:复杂网络中的节点可以代表任何事物。例如,人际关系构成的复杂网络节点代表单独个体,万维网组成的复杂网络节点可以表示不同网页。
复杂网络
社会网:演员合作网,友谊网,姻亲关系网,科研合作网,Email网生物网:食物链网,神经网,新陈代谢网,蛋白质网,基因网络信息网络:WWW,专利使用,论文引用,计算机共享技术网络:电力网,Internet,电话线路网,交通运输网:航线网,铁路网,公路网,自然河流网复杂网络分类WS所以后来提出了一个兼具小世界性和高聚集性的网络模型,他们通过将规则网络中的每条边以概率p随机连接到网络中的一个新节点上,构造出一种介于规则网络和随机网络之间的网络(简称WS网络),它同时具有较小的平均路径长度和较大的聚集系数,而规则网络和随机网络则分别是WS网络在p为0和1时的特例。复杂网络分类规则网络(1)规则网络是指平移对称性晶格,任何一个格点的近邻数目都相同(2)各个节点的具有相同的度值(3)如图为最近邻耦合网络:每个节点都与它左右的K/2个节点相连(4)对大的N,K,有:聚集系数C~3/4,平均路径长度L~无穷大复杂网络分类1998年,美国康奈尔大学的Watts和Strogatz在Nature上著文建立了第一个复杂网络模型,即“小世界网络模型”。
Figure14.WS模型(1)影响其拓扑结构的性能的因素电力系统复杂网络的应用:
Figure10.电力系统复杂网络受到随意攻击典型的复杂网络应用细胞复杂网络的应用:
Figure11.肺部细胞形成一个复杂网络典型的复杂网络应用生物网络神经网络蛋白质相互作用网络典型的复杂网络应用生态网络典型的复杂网络应用因特网复杂网络的应用:
Figure12.因特网形成的复杂网络典型的复杂网络应用PhysicscollaborationnetworkPallaetal.Nature435,9(2005)复杂网络中的社团结构CommunityStructures社团内部连接紧密,社团之间连接相对稀疏典型的复杂网络应用经济物理学科学家合作网典型的复杂网络应用复杂网络上的疾病传播典型的复杂网络应用网络结构上的少数者博弈模型少数者博弈网络结构的影响?数值模拟结果典型的复杂网络应用第6讲协同学协同学
synergetics
赫尔曼·哈肯
近年来,协同理论已经引起我国物理、化学、生物、地理地质、天文气象、系统工程、机械电器、思维科学、医学、自动化科学以及哲学界广大同志的关注和兴趣。目录Contents历史背景定义研究对象基本思想应用--微流控1234567协同学产生的历史背景
协同学是由原西德斯图加特大学理论物理学教授哈肯(H.Haken)创立,他从1960年起就研究激光理论,激光是一种远离平衡态时,由无序向有序转化的现象。他以激光理论为基础,通过类比归类,形成完整的理论,1970年,他最初提出协同学,又用了7年时间,哈肯于1970年出版了<协同学导论>,创立了协同论。立即引起了国际理论物理、理论生物、化工、医学、工程应用,以及社会学界的极大兴趣。1976年,英国物理研究院和德国物理协会授予他玻恩奖。1981年美国富兰克林研究院鉴于他在协同学方面的开创性工作,授予他迈克尔逊奖章。历史背景定义
协同学是以现代最新的一些科学理论(如信息论、控制论、突变论等)为基础,采用适用范围很广的统计学和动力学相结合的方法,通过分析类比,建立了一整套数学模型和处理方案,来描述各种系统和运动现象中从无序到有序转变的共同规律的一门新兴学科。定义研究对象
协同学是研究由不同性质的大量子系统(诸如电子、原子、分子、细胞、神经元、力学元、光子、器官、动物乃至人类)所构成的各种系统。系统是由两个以上的要素组成的整体,单个要素也无法构成系统。系统的诸要素之间、要素与整体之间、以及整体与环境之间存在着一定的有机联系。系统要素之间的联系与作用必产生一定的功能。功能是系统所发挥的作用或效能,且是各要素个体所不具备的功能,这种功能是由系统内部要素的有机联系和系统的结构所决定的。研究对象协同学的基本思想从系统内部寻找有序源泉。系统的行为并不是其子系统行为的迭加,而是由子系统的相互作用调节和组织起来的。涨落导致有序。自组织是系统有序化的内在根据。基本思想应用—芯片实验室Lab-on-a-chip或称微全分析系统定义:泛指能整合多种化学、生物分析功能于单一小型芯片上,处理非常微小液量(不到数皮升)的技术典型制造法是使用微机电系统技术制出微小尺度的渠道,致动器,传感器等。从本质上讲,芯片实验室就是一种微型化的生化分析仪微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicSystem)是指可批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。微流控芯片是MEMS的一个分支,是当前微全分析系统发展的热点领域。应用微流控一种精确控制和操控微尺度流体,尤其特指亚微米结构的技术。(即:对于微尺度下流体的控制)狭义上的行业共识:1纳米材料(100nm以下)2亚微米材料(100nm~1.0
μm)3微米材料(1.0μm~5.0μm)“微”以为着以下的特性:1微小的容量(纳升、皮升、飞升)2微小的体型3低能量消耗4装置本身占用体积小应用微流控技术在20世纪80年代兴起,并在DNA芯片、芯片实验室、微进样技术、微热力学技术得到了发展。多交叉学科:包括工程学、物理学、化学、微加工、生物工程流体在微观上的行为与宏观上的行为的主要区别在于表面张力,能量耗散,及流体阻力开始主导着流体行为。在流体通道的尺寸约为100nm-几百μm时,一些有趣及有违常理的现象出现了。雷诺数(比较惯性力和粘性力的常数)变的很小。一个重要的结果就是当几束流体并行时,没有混合,这几束流体之间的分子传送时通过扩散来达到的。这个性质在微流体仪器中显得尤为重要。应用微流控病毒检测应用新闻
微流控芯片由微通道形成网络,以可控流体贯穿整个系统;取代常规生物或化学实验室的各种功能。微流控芯片实验室的基本特征和最大优势是多种单元技术在微小平台上的灵活组合和规模集成。微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上,自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力,已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。应用微流控实验芯片材料分类区分标准一(芯片材料)硅芯片玻璃芯片石英芯片高聚物芯片硅-玻璃、硅-石英、玻璃-高聚物等复合材料芯片区分标准二(功能需求)高分辨分离芯片微采样(进样)芯片微检测(传感器)芯片细胞分析芯片前处理芯片化学合成芯片多功能集成芯片应用基底材料是芯片实验室的基础,是生化反应的载体,大部分微结构都是在芯片材料上刻制而成的。由于蚀刻技术的发展和造价原因,塑料已被视为目前制作微芯片的理想材料。它的成功应用主要与其所具有的良好的光学性质、研究透彻的表面性质,并且在玻璃材质非常容易对其实施微电子加工等原因有关。另外,晶体硅、陶瓷等材料也可用于芯片毛细管电泳的制作,但是硅作为基底材料有很多缺点,如导电性太强,不太适合于高电场强度的电泳。此外,各种聚合物材料也引起了研究者的广泛兴趣,这主要是由于聚合物芯片易于成形、化学惰性、便宜、无毒。较常用的聚合物材料包括聚碳酸脂、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。目前研究的芯片实验室技术是以毛细管电泳为基础,其分离过程主要通过电泳方法来实现。PDMS聚二甲基硅氧烷:成本低,使用简单,同硅片之间有良好的粘附性,有良好的化学惰性。广泛应用在微流控领域的聚合物材料。应用原理简析主要依托学科:分析化学(基础)、微机电加工技术结构特征:微管道网络工作原理:微管道中流体控制前处理功能:多种技术供选择集成化对象:全部化学分析功能应用领域:全部分析领域,生命科学是目前主要应用对象应用结构及加工特点微流控分析芯片是通过微细加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件,窗口和连接器等功能元件像集成电路一样,使它们集成在芯片材料(基片)上的微全分析系统。其结构和加工特点如下:1)以微管道为网络,将微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件等连接在一起,对加入微通道中的流体进行控制与分离测定,以完成多种分析功能,如采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等。2)微流控分析芯片的面积为几个平方厘米。3)微管道宽度和深度为微米级。4)芯片材料已从硅片发展到玻璃,石英,有机聚合物等,因此也发展了有机聚合物材料的加工技术。在传统的光刻和蚀刻的基础上发展了模塑法,热压法,激光烧蚀法,LIGA技术和软光刻等新方法。应用在微机电加工技术的基础上,通过光蚀刻或微注模技术在芯片上制作出用于进样和分离的微小通道,并进一步联之以微阀、微泵是现阶段芯片实验室加工的一般途径。目前常用的刻制技术有光蚀刻技术、微刻技术、紫外激光切除方法以及深层反应离子蚀刻法等。对玻璃材料的加工目前多采用标准的光蚀刻技术,其加工过程主要包括膜的沉积、光刻、蚀刻及粘接等四个步骤。首先在玻璃表面喷涂一层金属掩膜,通常是Cr/Au金属膜,在金属掩膜层上涂上一层光敏剂。然后用适当波长的光经模板对芯片进行曝光,用适当的腐蚀液除掉已曝光部分的光敏剂和金属掩膜。在此基础上对芯片进行化学蚀刻,氢氟酸是最常用的蚀刻剂,可以通过控制温度来调控氢氟酸对玻璃的蚀刻速率,用轮廓曲线仪监测整个蚀刻过程。微通道蚀刻完成后,将芯片表面剩余的光敏物质膜和掩膜除掉。芯片通道与外界连接的缓冲液池,可以粘在已蚀刻的基片上或另一片空白的玻璃芯片上。最后将已蚀刻完成的芯片和另一空白芯片,采用加热的方法直接进行键合,就可形成一个完整的芯片。应用高分子聚合物微流控芯片的加工技术高分子聚合物基片上制作微通道的技术有模塑法,热压法,LIGA技术,激光烧蚀法和软光刻等。软光刻是相对于微制造领域中占主导地位的光刻而言的微图形转移和微制造的新方法。因光刻不但需要昂贵的设备和超净实验室,也不能在曲面上加工微结构。从1995年开始,G.Whitesides等以自组装单分子层(self-assembledmonolayer,SAMs),弹性印章(elastomericstamp)和高聚物膜塑技术为基础,发展了一种新的低成本的微细加工新技术“软光刻”。软光刻技术的核心是图形转移元件-弹性印章。方法有微接触印刷法,毛细微模塑法,转移微模塑法和微复制模塑法等。它不仅可在高聚物等材料上制造复杂的三维微通道,而且可以改变材料表面的化学性质,有可能成为低成本的微流控分析芯片的新方法。应用食品安全:检测食物中的重金属离子
项目建立了一种用于重金属离子现场检测的多通道无动力微流控芯片及其使用方法。该微流控芯片包括流体流动的通道片层和芯片基片,两者都由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成,其优点在于该芯片的进样方式不需外部能量,仅仅利用聚二甲基硅氧烷的存储气体的能力,经过抽真空前处理就可以达到现场使用的效果。本微流控芯片与不同种类的金纳米探针结合,适用于现场不同种类的重金属离子实时快速检测。整个芯片试剂盒包含密封的8通道微流控芯片和独特设计的纳米生物探针。建立的是一种多通道的无动力的微流控芯片,其与特定纳米探针相结合,可以实现多个重金属离子样品的现场快速并行检测。当前,环境保护日益受到重视,该技术将为现场监控水环境中的重金属污染提供一种非常便捷而使用的工具。应用应用前景长期以来,重金属污染受到人们的广泛关注,工业活动导致的汞、铅、镉、铬等重金属污染的生物毒性非常显著,给人类健康和环境造成极大危害。以汞为例,全世界汞的年排放量约1.5万吨,主要来源于汞矿、冶金、氯碱工业、电器工业和矿物燃料的燃烧。这些无机汞进入大气循环和水体循环系统后,在生物体内转化成有机汞(甲基汞、乙基汞),毒性大大增强。最终在食物链的各个环节中累积,给人类的健康和生存带来巨大威胁。因此,对环境重金属离子的监测十分重要。常规的检测仪器包括电感耦合等离子质谱仪、原子光谱法、分光光度法等,这些大型仪器需要复杂样品前处理,仪器笨重昂贵,不适合快速、实时、现场检测,所以开发具有此功能的微型化检测器件势在必行。无动力微流控芯片检测重金属离子的工作原理应用东京大学的糖尿病给药微流控芯片该装置可模拟食物和口服药物流经人体时经历的过程,对药物筛选和化学药品风险评估等应用非常有用。微流控给药芯片(另称为Jewel胰岛素泵)是利用Debiotech和MEMS技术联合开发的,可安装在一次性皮肤贴布上,从而连续输注胰岛素。从工作原理上看,刺入皮肤的电化学葡萄糖传感器每5分钟检测血糖水平,并根据血糖水平释放驱动信号以推动马达注射器。应用该光度计所有部件包括双波长紫外发光二极管(LED)光源、光电二极管检测器、长光程液芯波导检测池、微量试样驱动装置、控制电路、液晶显示器和电池均集成于12cm×4.5cm×2.1cm的仪器内。该仪器成功应用于微量DNA试样的纯度和含量测定,以350nL的试样消耗获得了约15mm的有效光程。对比商品化的微消耗光度计,手持式光度计以其1/3的试样消耗量获得了其15倍的检测光程,且价格低廉,在现场分析和即时检验等领域具有很好的应用前景。此外,我们还将该光度计与缺口管阵列结合,成功用于血清中总胆固醇含量的快速自动分析。浙江大学微分析系统研究所方群教授研究组研制的手持式光度计应用研究现状方群教授:这里我是用“十字路口”这四个字来形容当前微流控芯片技术的研究现状。以在分析化学中的情况为例,微流控芯片出现之初,研究者众多,大家在分析化学的各个领域都进行了普遍地尝试。然而,十多年已过去,微流控芯片分析领域内相对容易研究的领域已基本了解清楚,而剩下的领域和任务都是“硬骨头”。这些“硬骨头”研究难度大、耗费时间长、不易出成果且成果产业化难度大,这需要研究者具有极大的毅力、耐力以及坚持的信心。应用
中国科学院大连化物所林炳承教授:目前困扰科学家的一个问题是,微流控芯片系统至今为止还没有拿出一个能够让大家为之一振的“有杀伤力”的,也就是说其他手段无法替代的应用成果,国外称之为KillerApplication。目前,全球许多实验室,包括我们在内的,都在为此努力的工作。我相信,KillerApplication迟早是会出现的。现在在某些领域,譬如细胞培养和分析方面,微流控芯片的独到性已经有所反映。产业化:坚持中迎来曙光应用第7讲涌现目录Contents关于“涌现”特性应用1236意义4分类5总结6关于“涌现”“涌现”一词来源于Emergence,最初被译为“突现”。系统科学使用emergence一词是为了谈论系统上下层次之间的或部分与整体之间的关联问题。人们在某一层次上观察到的非加和式现象、特征、属性、行为等,其根源首先来自下层的要素、关系、运动,是由下向上产生的。在下一层次观察不到,但在上一层次可以观察它、把握它。这就是emergence的方向性,中文的涌现一词恰好能够表达这种方向性,突现则不行。
——《论涌现》关于“涌现”涌现——从混沌到有序什么是涌现涌现(英语:emergence,或译为突现、呈展)是一个复杂系统中由次级组成单元间简单的互动所造成的复杂现象。Wikipedia
涌现是复杂系统的根本特征,通常认为,它是指复杂系统在自组织过程中新结构、新属性的出现。按照目前公认的看法,“复杂性科学本质上是关于涌现的一门学科,同时研究如何确认涌现现象的基本法则。”关于“涌现”整体涌现性构成了丰富的系统多个要素组成系统后,出现了系统组成前单个要素所不具有的性质,这个性质并不存在于任何单个要素当中,而是系统在低层次构成高层次时才表现出来,所以人们形象地称其为“涌现”。系统功能之所以往往表现为“整体大于部分之和”,就是因为系统涌现了新质的缘故,其中“大于部分”就是涌现的新质。系统的这种涌现性是系统的适应性主体之间非线性相互作用的结果。特性凡是系统都具有涌现性吗?涌现分为两种,即叠加式涌现和非叠加式涌现,叠加式指仅仅是在数量上的增加,故而不能称之为系统;而非叠加式则指整体具有组分不具有的性质或特点,系统最重要的特点就是整体涌现性,所谓整体涌现,是指新功能和新性质的出现。系统涌现性是系统非加和的属性,“整体大于部分之和”与“整体小于部分之和”这样的整体与部分差值就是涌现。特性举一个身边体现涌现的例子不同的结构方式,不同的相互激发产生不同的整体涌现性。整体涌现性的产生不是单一的,是规模效应和结构效应共同的结果。比如分子作用力、氢键以及疏水作用力相对于原子来说就是整体涌现。只有原子形成了分子才可能具有这些特性,原子不形成分子或者大分子,简单的混合是不会具有这种层次的特性。应用西洋跳棋神经网络探索涌现的意义由此可以看到,我们身边无处不存在着涌现现象,系统科学就是关于整体涌现性的科学理论。探索整体涌现发生的条件、机制、规律,则有助于我们在更深入的层面上了解这个世界的本质规律,以及如何利用这些规律。意义涌现的分类既然凡系统必具有整体涌现性,涌现的存在就是普遍现象。普遍性的东西一定分为不同类型,各个具有自己的特殊性,需要分门别类地研究。但涌现的分类是一个新问题,目前远远达不到给出完备分类的程度,甚至尚未明确提出涌现的分类问题。这里只限于讨论我们业已有所认识的涌现类型。分类弱涌现和强涌现——司马贺
从层次之间不同的反馈类型和因果关系,将涌现分为4类,并解释了它们的可预测性:简单或有名无实的涌现(simple/nominalemergence)、弱涌现(weakemergence)、多重涌现(multipleemergence)、强涌现(strongemergence),如图3。类型I只包含前馈,而无反馈;类型II只包含简单的正反馈或负反馈;类型III中存在多个反馈循环,同时还包含了学习和适应;类型IV则表现为,在高层组织中出现了涌现结构或产生了体现不可还原性新性质的复杂性。分类有规则和无规则控制下的涌现现象——霍兰第一个在现代科学意义上系统研究涌现问题的是约翰·霍兰,风靡世界的《涌现——从混沌到有序》一书中系统地表述了他的观点。霍兰事实上提出一种涌现分类:一类可以简化表述为由规则控制的涌现,如奕棋游戏、基因指导下的生物发育等,圣塔菲学派研究的复杂适应系统(CAS)中的涌现现象都属于这一类;另一类是无控制规则的涌现现象,但霍兰没有具体论及。分类“首先,我将把我们的研究领域限制在那些在规则和规律方面富有启发的系统。这方面主要的例子包括游戏、人们已充分理解其组成的物质系统(如由原子组成的分子)和用科学理论(如牛顿万有引力定律)定义的概念系统。当然,涌现现象也会在那些至今几乎还没有什么规律可循的领域中发生。”
——霍兰分类当然,“涌现”这个概念还可能科学有效地应用于其他方面。但是在上述这一由规则制约的领域中,它就已经复杂得足以花费我们几乎全部的时间去研究了。本书将一遍又一遍地反复证明,少数规则和规律就能产生令人惊讶的、错综复杂的系统。塞缪尔西洋跳棋——基于规则的建模西洋跳棋毫无疑问地具有涌现性——通过8*8的方格,与24颗棋子,以及相对简单的规则,便构成了多种多样,千变万化的棋局。分类很显然,在对弈的过程中,可能出现的棋局是多种多样的,我们无法为遇到的每一种可能的棋局作出反应,进行编程。在无法及时得到反馈,以确定所选择的行动是否正确的情况下,机器棋手必须学习如何在对弈过程中作出正确选择。西洋跳棋程序概观分类新闻:/html/shownews.aspx?id=185017莫斯科国际象棋机器人:/v/b/77799571-1512562303.html人工神经网络建模单向传播型神经网络分类反馈型神经网络分类摘要重述1、涌现现象出现在生成系统之中。2、在这样的生成系统之中,整体大于各部分之和。3、生成系统中一种典型的涌现现象是,组成部分不断改变的稳定模式。4、涌现出来的稳定模式的功能是由其所处的环境决定的。5、随着稳定模式的增加,模式间相互作用带来的约束和检验使得系统的功能也在增强。6、稳定模式通常满足宏观规律。7、存在差别的稳定性是那些产生了涌现现象的规律的典型结果。8、更高层的生成过程可以由稳定性的强化而产生。总结结束语
“包括圣菲研究所许多成员在内的科学家,都正在力图了解在没有外界影响和特殊要求的情况下结构出现的方式。当环境发生巨大变化时,显然,正是系统中的简单规则生成了复杂的结构和行为。”
——《夸克和美洲豹》“我们对于涌现的探究还远远不够,即使我自己,对涌现的认识也很贫乏...无论如何,受限生成过程为我们研究涌现提供了一个继续研究的起点。”
——JohnHolland总结第8讲自组织目录Contents定义理论基础方法论耗散结构123467应用5组织(organization):是指系统内的有序结构或形成有序结构的过程。自组织与他组织他组织:如果一个系统靠外部指令而形成组织;自组织(self-organization):如果不存在外部指令,系统按照相互默契的某种规则,各尽其责而又协调地自动地形成有序结构。自组织的含义:
“自”,是指“自发”;“组织”说明系统中所包含的各个运动变化的子过程之间的相互协作、竞争,使过程演化为有序。自组织过程:
具有一定功能的非线性的多体开放系统在离开平衡态时会与外界不断进行交换,受到影响和干预,内部结构从无序变成(规则或不规则的)有序时空结构的过程。自组织现象:这种能自行产生的组织性和相干性,叫自组织现象定义耗散结构理论(DissipativeStructure)协同学(Synergetics)突变论(CatastropheTheory)超循环理论(Supercircle)理论基础研究自组织的方法分类条件方法论协同动力学方法论演化路径(突变论)的方法论超循环结合方法论分形结构方法论动力学(混沌)演化过程论综合的自组织理论方法论方法论自组织基本思想与理论内核耗散结构理论(DissipativeStructure)主要研究系统与环境之间的物质与能量交换关系及其对自组织系统的影响等问题。协同学(Synergertios)主要研究系统内部各要素之间的协同机制,认为系统各要素之间的协同是自组织过程的基础,系统内各序参量之间的竞争和协同作用使系统产生新结构的直接根源。突变论(CalastropheTheory)突变过程是由一种稳定态经过不稳定态向新的稳定态跃迁的过程。方法论方
法
论
与
要
点一、耗散结构系统必须是开放的系统必须远离平衡二、协同动力学大量子系统构成系统间非线性相互作用相互竞争和相干效应形成一定功能新系统三、演化路径经过临界点或临界区域演化的间断性道路渐进的演化道路四、混沌论特点对初始条件临界水平非线性系统。自反馈系统方法论熵
Entropy含义:“一个系统的熵就是它的无组织程度的度量。”(维纳)玻尔兹曼给出微观解释,即S=klnW开放系统的熵:熵产生diS熵流deSdS=diS+deS只要有deS<-diS则有dS=diS+diS<0对于一个孤立的封闭系统,熵总是增加的!?——克劳修斯耗散结构协同动力学合作竞争阻尼运动:耗散结构非生命的自组织贝纳德流体的对流花纹B-Z化学振荡花纹与化学波激光器中的自激振荡频控震动自组织成形实验应用B-Z化学振荡应用频控震动自组织成形应用问题面板上的粒子的跳动是自动的还是被动的?说明粒子的跳动有没有规律?粒子跳动有没有方向性?说明粒子有没有协同作用?是不是收到某种指令而动,粒子之间有没有信息传递?应用生命体自组织人的群居意识政治、军队等的组织鱼群的自组织逃生应用鱼群自组织应用自组织系统一、自然界自组织系统 皮肤模式二、人工自组织系统 自平衡机器人应用第9讲浅谈《周易》目录Contents《周易》来源认识《周易》《周易》名字解释《周易》简介阴阳学说与现代科学12345677案例阴阳学说与现代科学河图与洛书是中国古代流传下来的两幅神秘图案,历来被认为是河洛文化的滥觞,是中华文明的源头。上古伏羲氏时,洛阳东北孟津县境内的黄河中浮出龙马,背负"河图",献给伏羲。伏羲依此而演成八卦,后为《周易》来源。大禹时,洛阳西洛宁县洛河中浮出神龟,背驮“洛书”,献给大禹。大禹依此治水成功,遂划天下为九州,治理社会。《周易》来源黄河马图洛水龟书
《周易》来源《周易》《论语》《老子》《孙子兵法》活水源头三大基石兼达天下独善己身奇正相生《周易》来源正确认识易经易历三圣世历三古上古伏羲氏(六千年前)中古周文王(三千年前)近古孔子(二千五百年前)时代不同作风有异伏羲,主要在造字和推行识字教育文王,主要在阐述建国育民的哲理孔子,主要在发扬积极的处世智慧认识《周易》→→《易经》是中国最古老的文献之一,它以一套符号系统来描述状态的简易、变易、不易,表现了中国古典文化的哲学和宇宙观。它的中心思想是以阴阳的交替变化描述世间万物。《易》原有三种版本:《连山》、《归藏》和《周易》,但《连山》和《归藏》已经失传,于是一般所称《易经》即指《周易》。《连山》据传是伏羲氏或神农氏所创的易,成书于夏朝。黄帝时代的《易》为《归藏》易,殷商朝代用以占卜。《周易》相传为周文王所创,盛行于周朝。认识《周易》《周易》
《周易上经》即《易经》《周易大传》即《易传》
“古者包牺氏之王天下也,仰则观象于天,俯则观法于地,观鸟兽之文与地之宜,近取诸身,远取诸物,于是始作八卦。”
“以通神明之德,类万物之情。”《周易》名字解释什么是“周”?一般认为《易经》是在周代形成故而得此名,虽然其中也包含有形成于周代的意思,但其本意更应该是周而复始,万物的循环。那么,“易”又当何解?变不简易《周易》名字解释爻(yao2)周易中用阳爻和阴爻来表达阳和阴这两种抽象的概念,对于阴阳就把它当作两种符号,好比正号和负号。爻是组成卦的基本元素。爻有两种,一种叫阳爻,一种叫阴爻。阳爻用一长横表示,阴爻用两个短横表示《周易》的简介单卦单卦的组成很简单,由三个爻组成,每个爻都有两种状态:阳爻和阴爻。这八卦
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