[互联网]系统分析与控制第0章前言郑峰.ppt

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1、2023年4月30日8时2分,1,系统分析及控制,中国民航大学空中交通管理学院,2023年4月30日8时2分,2,教材及参考书目,教材：现代控制理论基础，谢克明，北京工业大学出版社，2002参考书目：现代控制理论，刘豹，机械工业出版社，2007自动控制原理.胡寿松.北京:科学出版社,2002大系统控制论，涂序彦 等，北京邮电大学出版社，2005交通运输系统分析，刘澜 等，西南交通大学出版社，2006控制工程基础，王益群 等，机械工业出版社，2001,2023年4月30日8时2分,3,前言,先修课程：高等数学、大学物理、线性代数,2023年4月30日8时2分,4,课程作用本课程是交通运输专业必修

2、的专业基础课，对学生认识空中交通管理大系统的管理和控制，认识管制员和签派员本身在空管大系统中的管理和控制作用和未来从事空管系统研究有重要作用。,2023年4月30日8时2分,5,主要讲授的内容经典控制理论、现代控制理论基础与系统科学基本内容。,2023年4月30日8时2分,6,第一章 绪论,系统概述 系统的定义和属性 系统的分类 系统的结构与功能 系统科学的理论基础,2023年4月30日8时2分,7,系统概述,什么是系统系统-自然界与人类社会中普遍存在的由若干环节组成的链状事物系统的概念来源于古代人类认识自然和社会的实践经验对系统概念的一般认识要认识到系统的全部组成环节要认识到这些环节联结部分

3、的形成和特点系统的概念是相对变化的，而不是绝对静止的,2023年4月30日8时2分,8,系统概述,系统思想的产生与演化古代朴素的系统观-观天象掌握天体运行和季节变化规律近代机械的系统观-通过实验、解剖和观察，将考察自然界的方法移植用于思辨，所抽象形成的（形而上学）思维现代唯物辩证的系统观-体现系统思想的实质：物质世界是由无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程所形成的统一体系统思想经历了从经验到哲学到科学，从思辨到定性到定量的发展历程,2023年4月30日8时2分,9,第一节、系统的定义和属性,系统的概念及其发展系统的定义系统的属性,2023年4月30日8时2分,10,1.1.1

4、 系统的概念及其发展,系统（system）一词最早出现于古希腊语原词syn有“共同”和“给位置”的含义，即系统意味着事物的共性部分和每一事物在总体中给予它应占据的位置随着科学技术的发展，系统被赋予进一步的含义有组织的和被组织化的全体结合着全体所赖以形成的诸概念和诸原理的复合体以规则的相互作用又相互依存的形式结合着的对象的集合理解系统的概念时必须注意的是：人们对系统的认识有一个发展过程，系统的概念还在发展,2023年4月30日8时2分,11,1.1.2 系统的定义,系统 是由相互联系、相互作用的诸多要素所组成的具有特定功能的统一体系统的判别特征系统由一些相互联系和相互影响的要素组成，这些要素及其

5、结构式系统的基本组成部分系统具有一定的特定功能，不同的要素及其结构可以实现不同的功能系统应具有一定的界限，使其能从所处的环境中分离出来，并通过该界限与外部环境产生能量、信息和物资的交换,2023年4月30日8时2分,12,1.1.3 系统的属性,目的性集合性相关性层次性整体性环境适应性涌现性,2023年4月30日8时2分,13,1.2 系统的分类,系统的分类按自然属性分类自然系统：自然界自然生成的物质和现象，如天体、海洋、气象、环境等系统人造系统：由人介入自然系统并发挥主导作用而形成的各种系统，具有人为的目的性和组织性；如社会经济系统中的教育、行政、医疗卫生、交通运输、科技、军事、工业、农业等

6、系统*自然系统是人造系统的基础，人造系统常常导致自然系统某种程度的破坏，要正确处理两者间的关系,2023年4月30日8时2分,14,1.2 系统的分类,按自然形态分类实体系统：由物质实体所构成，又被称为硬系统，如机械、能量、生物等系统概念系统：由概念、原理、法则、制度、规定等非物质实体所构成，又被称为软系统，如思想体系、逻辑程序、技术方法、组织管理、运作规划等概念系统*实体系统是概念系统的基础，概念系统为实体系统提供指导和服务,2023年4月30日8时2分,15,1.2 系统的分类,按运动属性分类静态系统：内部结构、状态和参数不随时间变化，如无电感、电容器件的电路系统动态系统：内部结构、状态和

7、参数随时间变化，如生产系统、服务系统、交通系统等均为动态系统*系统的静态与动态是相对划分的，严格的静态系统难以找到；对于一些内部结构、状态和参数随时间缓慢变化的系统，有时为了研究方便而忽略了这种变化，将其近似地视为静态系统。,2023年4月30日8时2分,16,1.2 系统的分类,按反馈属性分类封闭系统：不与外部环境发生物资、能量和信息的交换，如无法与外界沟通的天体系统与相对偏僻的人文社会系统开放系统：与外部环境发生物资、能量和信息交换的系统*严格的封闭系统也是难以找到的。有时为了研究方便而忽略了一些较少的流动交换，将其近似地视为封闭系统。*由环境向系统的流动，一般称为系统输入或干扰。由系统向

8、环境的流动交换，一般称为系统输出。*由输出向系统或输入的流动，一般称为系统反馈。,2023年4月30日8时2分,17,1.2 系统的分类,按规模大小和复杂程度分类小系统：规模较小大系统：规模较大巨系统：规模庞大简单系统：功能、结构简单复杂系统：功能、结构复杂*一般来说，大系统具有规模庞大、结构复杂、参量众多、多功能综合等特征，如交通运输系统。*规模小的系统不一定简单，如混沌系统。*规模庞大的系统也不一定复杂，如简单局系统。,2023年4月30日8时2分,18,第三节、系统科学的融合,系统科学的融合 系统论:一般系统论,自组织系统理论,复杂 系统理论,系统工程学,系统动力学信息论:狭义信息论,广

9、义信息论控制论:工程控制论,生物控制论,经济控制论,人工智能,2023年4月30日8时2分,19,一、系统概念的形成,公元前古希腊对宇宙大系统的认识我国西周时期的“阴阳二气”及金、木、水、火、土“五行”东汉时期形成的“二十四节气”周秦到西汉时期的“皇帝内经”。现代耗散结构理论的创始人I普里高津在从存在到演化一文中指出：“中国传统的学术思想着重于研究整体性和自发性，研究协调与协和。”但是，当时都缺乏对这一整体各个细节的认识能力。,2023年4月30日8时2分,20,一、系统概念的形成,马克思、恩格斯的辩证唯物主义认为，物质世界是由许多相互联系、相互制约、相互依赖、相互作用的事物和过程形成的统一整

10、体，这也就是系统概念的实质。钱学森在系统思想和系统工程一文中指出：“系统思想是进行分析和综合的辩证思维工具，它在辩证唯物主义那里取得了哲学的表达形式，在运筹学和其他系统科学那里取得了定量的表述形式，在系统工程那里获得了丰富的实践内容。”,2023年4月30日8时2分,21,二、系统的定义,系统可被定义为具有一定功能的、相互间具有有机联系的由许多要素或构成部分组成的一个整体。,2023年4月30日8时2分,22,三、系统的特性,层次性整体性集合性相关性目的性环境适应性.,2023年4月30日8时2分,23,系统工程研究系统的特性,可控性动态性复杂性自律性.,2023年4月30日8时2分,24,第

11、二节 系统的各种形态,自然界所面临的系统是各种各样的，它们以各种各样的形态存在于这个五彩缤纷的世界。因此，我们就可以按照系统在自然界存在的形态及性质，将系统分为各种各样的类型。,2023年4月30日8时2分,25,一、自然系统与人工系统,基于系统的形成过程，可将系统分为自然系统和人工系统：自然系统是由自然发生而产生与形成的系统，这类系统的组成部分是自然物（山、海、河流、矿物、植物及动物等）所自然形成的系统。人工系统是人们将有关元素，按其属性和相互关系组合而成的系统，亦即用人工方法建立起来的系统。,2023年4月30日8时2分,26,二、实体系统与概念系统,基于系统的组成要素，系统可分为：实体系

12、统：是指以物理状态的存在物作为组成要素的系统，这些实体占有一定空间，如自然界的矿物、生物，生产部门的机械设备、原始材料等。由于自然物都为实实在在的存在物，因此，实体系统亦称为硬件系统概念系统：它是由概念、原理、假说、方法、计划、制度、程序等非物质实体构成的系统，如管理系统、科学技术体系、教育系统、文化系统等。由于概念系统，对应着的多是人们对自然界的认识和假设，因此概念系统亦称为软件系统。,2023年4月30日8时2分,27,三、动态系统和静态系统,基于系统的运动和变化特征，系统可分为：动态系统就是系统的状态变量是随时间不断变化的，即系统的状态变量是时间的函数。静态系统则是表征系统运行规律的数学

13、模型中不含有时间因素，即模型中的变量不随时间而变化，它是动态系统的一种极限状态，即处于稳定的系统。,2023年4月30日8时2分,28,四、普通系统、大系统、巨系统,从系统的规模进行分类，系统有大小之分，可分为：普通系统大系统巨系统,2023年4月30日8时2分,29,五、简单系统和复杂系统,根据组成系统的子系统数以及子系统种类的多少和它们之间关联关系的复杂程度，系统可分为简单系统和复杂系统：简单系统是指组成系统的子系统数目相对比较少，一般为几十到几百个，各子系统之间的关系比较简单。研究这类系统可从系统间的相互作用出发，直接综合成全系统的运行功能，满足目标要求。非生命系统属于这类系统。当一个系

14、统包含的子系统数量上万，甚至上亿时，就称为巨系统。如果这些子系统种类多，又有层次结构，关联也复杂，就称为复杂巨系统。当这个系统又是开放的，就称为开放的复杂巨系统。,2023年4月30日8时2分,30,六、面向对象区分的各种系统形态,物质系统、人类系统及方法步骤系统作业系统和管理系统社会系统 经营系统 根据具体对象划分的各种系统:工业系统、运输系统、交通系统、通信系统、物资流通系统、金融系统、能源系统等以产业区分系统的形态，或按消费生活系统、医疗系统、军事系统和教育系统等,2023年4月30日8时2分,31,第四节 系统理论概述,2023年4月30日8时2分,32,大系统理论,在大系统的实践中人

15、们提出了不少新问题，需要探讨新的方法予以解决。大系统理论主要探讨分析如下几个方面的问题和方法：大系统的建模方法和模型简化技术有关主动系统的问题动态系统的分散递阶控制大系统的结构方案和特征,2023年4月30日8时2分,33,第二章 系统工程及其方法论,系统工程的概念及系统工程的方法论是系统工程应用的基础和关键所在，系统工程处理问题的独特方法论是系统工程区别于其它各门科学的基本特征之一，系统工程处理问题的最基本出发点是将所分析的对象作为整体系统来考虑，这也是系统工程考虑问题的基本思想和工作方法,2023年4月30日8时2分,34,第一节 系统工程 的概念,2023年4月30日8时2分,35,一、

16、系统工程,古典案例：护城河的修筑现代案例：阿波罗登月计划定义：系统工程就是从系统的观点出发，跨学科的考虑问题，运用工程的方法去研究和解决各种系统问题，以实现系统目标的综合最优化。,2023年4月30日8时2分,36,1.系统观念,系统的观念就是整体最优的观念，它是在人类认识社会、认识自然的过程中形成的整体观念，或者称之为全局观念。“丁渭工程”修建用的砖瓦水的来源建筑石材、木材的运输废墟的排除与清理,2023年4月30日8时2分,37,2.工程观念,工程的观念是在人们处理自然、改造自然的社会生产过程中所形成的工程方法论。传统的工程观念是指生产技术的实践而言，而且以硬件为目标与对象，如机械工程、电

17、气工程、铁路工程、水利工程等。系统工程将这一观念和方法应用于社会系统中，其所处理的对象不仅包含传统工程观念中的自然对象（即硬件），而是在传统的工程观念的基础上增添了新的内容，也即以软件为目标与对象。系统工程所讨论的工程是泛指一切有人参与的、以改变系统某一特征为目标的，从命题到出成果的工作过程。系统工程使得人们能够以工程的观念和方法研究和解决各种社会系统问题。,2023年4月30日8时2分,38,二、系统工程的理论基础,从系统工程的定义可以看出，系统工程是一门跨学科的边缘性交叉学科，它包括自然、社会及工程设计分析等方面的知识，它是由一般系统论、大系统理论、经济控制论、运筹学等学科相互渗透、交叉发

18、展而形成的。,2023年4月30日8时2分,39,系统工程的理论基础,一般系统论大系统理论经济控制论运筹学哲学和社会科学计算机科学各门专业科学和工程技术,2023年4月30日8时2分,40,三、系统工程与传统方法的区别,系统工程实质上是方法论的科学，它的目标是通过什么样的方法可使系统达到最优，而方法论是把设想付诸实现的过程。对于传统方法，它解决问题的目标往往是单一的，比如设计一个产品或只强调成本低或只强调性能高，而系统工程对目标的考虑需要从系统运行的全过程即时间方面以及在每个阶段中处理问题的特殊思维过程即逻辑方面，并综合运用各种专业知识即知识方面来综合考虑。即系统工程的思维方式是三维结构分析。

19、,2023年4月30日8时2分,41,1.系统工程的三维结构分析,逻辑维,知识维,时间维,2023年4月30日8时2分,42,时间维,a)规划阶段：主要是按照设计要求提出系统目标，制定规划和政策。b)拟定阶段：完成的任务是提出具体的方案，进行系统的初步设计。c)分析阶段：对所设计的方案进行分析、比较。d)运筹阶段：方案的综合选优，确定最优实施方案。e)实施阶段：系统的设计、安装及调试等。f)运行阶段：按照系统预定的用途工作。g)更新阶段：按系统要求实施，取消旧系统，代之以新系统，对系统改进。,2023年4月30日8时2分,43,逻辑维,a)明确问题：了解问题所处的环境，收集有关的数据和资料，主

20、要目的是弄清问题。b)系统指标设计：确定所要解决问题的目标和相应的评价准则。c)系统方案综合：为实现预期目标，拟定所需采取的策略和应选择的方案。d)系统分析：深入了解所提出的政策措施和解决方法，分析这些措施方法在实施中的预期效果。e)系统方案的优化与选择：用数学规划等定量的优化方法去判别各种方案的优劣，以进行方案选择。f)决策：以指标体系为评价准则，在考虑决策者的偏好等基础上，选择最优方案。g)实施计划：按决策结果制定实施方案和计划。,2023年4月30日8时2分,44,知识维,知识维是指各工作步骤所需的各门专业知识，由于系统工程是个综合性的交叉学科，在上述各阶段中，执行任何一步都会涉及多种专

21、业技术，如社会科学、工程技术、法律、商业、医药、艺术等等。,2023年4月30日8时2分,45,2.系统工程的软科学性,系统工程的软科学性是从系统工程的应用成果方面分析的，由于系统工程处理问题的目的主要是对问题的分析，以便获得解决问题的最优方案，供决策者决策使用。系统工程的软科学性也可由其定义看出，它是一种方法论的科学，寻求的是系统目标综合最优的实施方案，然而这一方案需要有决策者的支持，否则将失去意义，这也是系统工程与传统方法的最根本区别。,2023年4月30日8时2分,46,软科学性所表现出的特点,所要处理的对象没有限制，但以人和社会问题为主，且将对象作为系统对待的意识较强；所要处理的问题多

22、数是带有政策性的，同时多半带有探讨未来的性质，所以十分关心未来的不定因素；所要处理的问题包括了大量事实上不明确的东西；因此在分析中，不仅要重视客观上可定量化的问题，同时还要了解直观性和含糊不清之处；从发现问题到最后实施解决方案的这一期间，多数情况下要充分利用模型。但是，所关心的不是“是否精确”，而是该模型是否与目标相符，是否有用；软科学所处理的问题跨学科的性质很强。为了能解决问题，应积极利用现有社会科学与自然科学的成果，而且要求有关专家在广泛的领域内进行合作。,2023年4月30日8时2分,47,第二节 系统分析简介,系统工程方法论的基础是系统分析技术，系统分析是完成系统工程问题的中心环节，在

23、探讨系统工程方法论之前，掌握和了解系统分析技术很有必要。,2023年4月30日8时2分,48,一、系统分析的基本概念,系统分析的目的是在于分析系统内部与系统环境之间、系统内部各要素之间的相互依赖、相互制约、相互促进的复杂关系，分析系统要素的层次结构关系及其对系统功能和目标的影响，通过建立系统的分析模型使系统各要素及其与环境之间的协调达到最佳状态，最终为系统决策提供依据。,2023年4月30日8时2分,49,美国大百科全书指出,系统分析是研究相互影响的因素的组成和运用情况，它的特点是完整的而不是零星的处理问题，这要求人们考虑各种主要的变化因素及其相互的影响，它要求人们用科学的和数学的方法对系统进

24、行研究和应用。,2023年4月30日8时2分,50,日本世界大百科年鉴认为,系统分析是人们为了从系统的概念上认识社会现象，解决诸如环境问题、城市问题等复杂问题而提出的从确定目标到设计手段的一整套方法。系统分析的用处是：通过分析一切和问题有关的要素同实现目标之间的关系，提供完整的资料，以便决策者选择最合理的解决方案。,2023年4月30日8时2分,51,台湾企业管理百科全书,为了发挥系统的功能及达到系统的目标，若就费用与效益两种观点，运用逻辑的方法对系统加以周详的分析、比较、考察和试验，而制定一套经济有效的处理步骤和程序，或对原有的系统提出改进方案的过程，称之为系统分析。,2023年4月30日8

25、时2分,52,美国麦氏科技大百科全书,系统分析是应用数学方法研究系统的一种方法，它通过对研究对象建立一种数学模型，按照这种模型进行数学分析，然后将分析的结果运用于原来的系统。,2023年4月30日8时2分,53,二、系统分析的特点,以系统整体最优为目标强调系统各要素之间的联系寻求解决问题的方案是其主要目的 运用定量方法解决系统问题 凭借价值判断作出决策,2023年4月30日8时2分,54,三、系统分析的组成要素,目标 方案指标模型标准决策,2023年4月30日8时2分,55,四、系统分析的步骤概要,原始情况 分析结果阐明问题阶段 分析研究阶段 评价比较阶段,2023年4月30日8时2分,56,

26、第三节 系统工程方法论,2023年4月30日8时2分,57,一、阐明问题,问题的性质和范围 问题的目标 环境和条件 评价指标 收集和分析资料,2023年4月30日8时2分,58,二、谋划备选方案,方案的提出“集体创造”法 或“头脑风暴法”“缺点、希望点”列举法 特性穷举法 方案的筛选 强状性 适应性 可靠性 现实性,2023年4月30日8时2分,59,三、预测未来环境,每项系统工程都要预测各种备选方案的后果，而每种方案的后果与将来付诸实践时所处的环境有关，这就要求在方案实施前对未来环境可能发生的变化做一准确的预测。预测是对事物发展的客观规律进行预估和推测，即根据过去和现在的历史或统计资料预估未

27、来发展的趋势，或根据已知事物的演变过程经过逻辑与推理，以推测其未来发展的规律。环境是指决策人无法控制的自然、经济、社会和技术的未来状态，离开未来实施环境去谈论方案后果是没有实际意义的。对方案实施的后果应该这样描述，即在某种环境下采取某种行动将会导致什么后果。表达方案的后果形式可概括为“如果环境如此，则备选方案的后果就是”。这种表达方式实际上反映了系统工程处理问题的思路，即情景分析法。情景分析法：情景分析法对于每种备选方案都确定几组未来实施环境的特征和条件，如按“乐观”、“正常”和“悲观”的环境；也可按出现可能性大、正常和特殊的环境等进行预测。,2023年4月30日8时2分,60,数学模型的方法

28、,确定预测内容 准备数据资料 确定预测方法，建立数学模型 定性预测法 时间序列预测法 因果关系预测法 计算预测值，分析预测误差,2023年4月30日8时2分,61,四、建模和预计后果,每种方案实施后都相应有一系列后果，因此本阶段的首要工作便是确定应该预计哪些后果？其中哪些最重要？选定后果项目后，便可着手建立一个或多个模型预计行动和后果指标之间的关系。系统分析的主要模型有图形模型、分析模型、仿真模型、博弈模型和判断模型,2023年4月30日8时2分,62,五、评比备选方案,各种备选方案在不同情景下的后果估计出来之后，便可着手方案评比，方案评比便是依据所建立的评价指标对各方案可能取得的效果进行评价

29、，并按其评价结果进行排序。系统评价的主要方法有关联矩阵法、费用效益分析法、层次分析法及模糊评价法等许多种评价方法，这在后面的系统评价中将作专门介绍。,2023年4月30日8时2分,63,第四节 系统工程的应用,2023年4月30日8时2分,64,一、系统工程的应用范围,2023年4月30日8时2分,65,二、系统工程的应用分支,社会系统工程 组织管理社会建设的技术，它的研究对象是整个社会，是一个巨系统。社会系统具有多层次、多区域、多阶段的特点。近年来，正在探讨一种从定性到定量，综合运用多种学科处理复杂巨系统的方法论。,2023年4月30日8时2分,66,宏观经济系统工程,运用系统工程的方法研究

30、宏观经济系统的问题，如国家的经济发展战略、综合发展规划、经济指标体系、投入产出分析、积累与消费比例分析、产业结构分析、消费结构分析、价格系统分析、投资决策分析、资源合理配置、经济政策分析、综合国力分析、世界经济模型等。,2023年4月30日8时2分,67,区域规划系统工程,运用系统工程的原理和方法研究区域发展战略、区域综合发展规划、区域投入产出分析、区域城镇布局和工农业合理布局、区域资源合理配置、区域投资规划、城市规划、城市水资源规划、城市公共交通规划与管理等。,2023年4月30日8时2分,68,环境生态系统工程,研究大气生态系统、大地生态系统、流域生态系统、森林与生物生态系统、城市生态系统

31、等系统分析、规划、建设、防治等方面的问题，以及环境检测系统、环境计量预测模型等问题。,2023年4月30日8时2分,69,能源系统工程,研究能源合理结构、能源图、能源需求预测、能源供应预测、能源开发规模预测、能源生产优化模型、能源合理利用模型、电力系统规划、节能规划、能源数据库等问题。,2023年4月30日8时2分,70,水资源系统工程,研究河流综合利用规划、流域发展战略和规划、农田灌溉系统规划与设计、城市供水系统优化模型、水能利用规划、水运规划、防洪规划、水污染控制等问题。,2023年4月30日8时2分,71,交通运输系统工程,研究铁路、公路、航运、航空综合运输规划及其发展战略，铁路运输规划

32、及其调度系统，公路运输规划及其调度系统，航运规划及其调度系统，空运规划及其调度系统，综合运输规划、优化模型及其效益分析。,2023年4月30日8时2分,72,农业系统工程,研究农业发展战略，大农业及立体农业的战略规划，农业结构分析，农业综合规划，农业区域规划，农业政策分析，农业投资规划，农产品需求预测，农业产品发展速度预测，农业投入产出分析，农作物合理布局，农作物栽培技术规划化，农业系统多层次开发模型等。,2023年4月30日8时2分,73,工业及企业系统工程,研究工业动态模型，市场预测，新产品开发，组织均衡生产，生产管理系统，计划管理系统，库存存贮模型，全面质量管理，成本核算系统，成本效益分

33、析，财务分析，人机工程，组织理论，激励机制等。,2023年4月30日8时2分,74,工程项目管理系统工程,研究工程项目的总体设计，可行性研究，国民经济评价，工程进度管理，工程质量管理，风险投资分析，可靠性分析，工程成本效益分析等。,2023年4月30日8时2分,75,科技管理系统工程,研究科学技术发展战略，科学技术预测，优先发展领域分析，科学技术长远发展战略，科学技术评价，科技人才规划，科技管理系统等。,2023年4月30日8时2分,76,智力开发系统工程,研究人才需求预测，人才拥有量模型，人才规划模型，教育规划模型，智力投资规划模型，人才结构分析，教育政策分析等。,2023年4月30日8时2分,77,人口系统工程,研究人口总目标，人口指数，人口指标致体系，人口系统数学模型，人口系统动态特性分析，人口参数辨识，人口系统仿真，人口普查系统设计，人口政策分析，人口区域规划，人口系统稳定性，人口模型生命表等。,2023年4月30日8时2分,78,军事系统工程,研究国防战略，作战模拟，情报，通讯与指挥系统，参谋系统，武器装备发展规划，后勤保障系统，国防经济学，军事运筹学等。,