第一章系统工程概述课件.ppt

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1、2022/12/5,系统工程教学案卷,对象：机械设计制造及其自动化 时间：2013/03-2013/05沈阳农业大学 工程学院赵 秀 荣,2022/12/5,考核方式,（1）作业、讨论共20分。（2）出勤、纪律10分（3）期末考试：开卷，满分70分。,2022/12/5,目 录,第一章 系统工程概述（2）第二章 系统工程基本逻辑过程和方法（3） 第三章 线性规划（7+2）第四章 对偶理论与灵敏度分析（6） 第五章 网络分析（6） 第六章 决策技术（4）第七章 系统预测技术（4+2）,2022/12/5,第一章 系统工程概述,系统系统工程系统工程的发展史系统模型及模型化数学模型与系统优化,202

2、2/12/5,1. 系统,系统定义系统是由若干个相互依赖、相互制约的部分组成，具有特定的功能的整体。三要点 由若干个要素组成； 要素间相互联系和依赖； 具有特定功能的整体。农业系统、工业系统、机器系统等。,2022/12/5,2.系统的属性,系统属性:整体性关联性层次性可控性时序性,你知道吗？,2022/12/5,(1)整体性,整体性指的是系统整体具有各组成部分自身独立存在时所不具有的性质。一般情况下它不等于各组成部分的性质的简单相加，而且不能回溯到各组成部分。如氯化钠螺丝钉与汽车。,2022/12/5,子系统 系统元素,构成系统的相对独立的部分称为子系统，系统不可再分的最小单元称为系统元素。

3、系统可由若干个从属于它的子系统构成，而它本身又是一个更大系统的子系统。,(1)整体性,2022/12/5,(2)关联性,1内部关联 指系统组成部分与系统整体之间的关系和系统各组成部分之间的相互关系。系统各组成部分以一定形式相互联系，并满足一定的数量关系，形成一定的内部结构，从而使系统呈现出相应的特性。金刚石和石墨. 总之，系统组成元素的数量匹配协调，联系形式合理，排列组合有序，系统内部结构就好，系统整体功能就强；反之，系统内部结构就不好，系统整体功能就差。,2022/12/5,2外部关联,指系统整体及其组成部分与环境之间以一定的数量和方式输入输出物质、能量和信息。 为使系统与环境相适应，可以调

4、节系统内部结构，使其适应变化了的环境， 也可以创造条件改变环境，使其满足系统发展的要求。,2022/12/5,(3)层次性,系统向上可逐层综合，组成一层比一层更庞大更复杂的系统，直至整个宇宙，系统向下可逐层分解，分解为一层比一层更小的系统。,2022/12/5,系统的层次是在自然界和人类社会从简单到复杂，从低级到高级的发展和进化过程中形成的。 低层次系统是高层次系统发展的基础，高层次系统又反过来带动低层次系统的发展。,2022/12/5,（4）可控性,指人们通过调节可控系统的可控元素，使它按预期轨迹运动，实现预期的目标。 为此，首先必须能准确及时地测得系统各时刻的状态，特别是可控元素的状态。

5、其次必须准确及时地把测得的结果传送到控制中心。 第三是根据测得的系统实际情况与预期要求的差距，调整可控元素。,2022/12/5,(5)时序性,指任何系统都随时间而运动和发展，并在一定条件下转化为另一种形态的系统，静态动态,2022/12/5,3系统的分类,(1)自然系统与人工系统 这是按系统的生成来划分的。由自然物形成的系统称为自然系统，如太阳系、海洋系统、原始森林系统。,(2)开放系统、封闭系统与孤立系统,是按系统与环境之间的输入输出情况来划分的。凡与环境有物质、能量、信息交换的系统称为开放系统；否则就称为孤立系统。仅有信息交换的系统称为封闭系统。,2022/12/5,例如,研究拖拉机结构

6、时，可把拖拉机视作一封闭系统来分析各组成部分的功能。 但在研究拖拉机配带农具进行农田作业的农业机械化生产过程系统时 这时拖拉机是一个子系统，整个系统要输入油料、劳力、各种农艺要求、输出机械能，牵引或驱动农具完成各项作业， 因而这是一个开放系统。,2022/12/5,(3)、动态系统与静态系统,动态系统与静态系统 这是按系统与时间的关系来划分的。动态系统的状态随时间而变化，静态系统的状态不随时间而变化。 客观系统总是处于发展变化之中，没有绝对静止的系统。静态系统是动态系统在其一时刻或某一时段的描述。反映某个时刻系统所处的状态、所具有的结构和功能。,2022/12/5,(4)开环系统和闭环系统,开

7、环系统和闭环系统 按输入与输出之间是否有反馈来划分。 根据系统输出与预期要求间的偏差来调整下一次的输入，使系统输出逐渐逼近预期要求的系统就是有反馈的闭环系统。没有这种反馈的系统就是开环系统。,2022/12/5,(5)白色系统、灰色系统和黑色系统,白色系统、灰色系统和黑色系统 这是按人类对所研究系统的信息量的掌握程度来划分的。信息完全确知的系统，称白色系统；系统的信息为未知的系统成为黑色系统；介于两者之间称灰色系统。,2022/12/5,2.系统工程,系统工程：运用现代系统理论和方法，定性和定量相结合的研究系统的开发、组织、管理和评价等问题， 使系统更好的实现预期目标的工程技术。要点： 指导思

8、想 解决问题 系统优化,利用现代数学方法 +计算机,+工程管理技术,系统工程=,对象,2022/12/5,分析,工业系统 、机器系统、农业系统,(1)自然系统与人工系统 (2)开放系统、封闭系统与孤立系统(3)动态系统与静态系统(4)开环系统和闭环系统(5)白色系统、灰色系统和黑色系统,2022/12/5,3、系统工程的发展概况,美国实施彩电开发计划,美国发展与研究广播电视,正式提出系统方法（Systems approach）的概念,采用系统方法，并取得巨大成功,美国Bell电话公司开发微波通讯系统,正式使用系统工程（Systems Engineering）一词,英、美等国的反空袭等军事行动,

9、产生军事运筹学（Military Operations Research）,也即军事系统工程,美国研制原子弹的“曼哈顿计划”,运用SE，并推动了其发展,美国空军建立兰德（RAND）公司,曾经提出系统分析（Systems analysis）概念，强调了其重要性,2022/12/5,系统工程的发展概况,运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子计算机出现，为SE奠定了重要的学科基础,H.Good和 R.E.Machol发表第一部名为系统工程的著作,系统工程学科形成的标志,美国研制北极星导弹潜艇,提出PERT（网络优化技术），这是最早的系统工程技术之一。,R.E.Machol编著系统工程手册,

10、表明系统工程的实用化和规范化,美国自动控制学家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念,为现代SE奠定了重要的数学基础,美国实施“阿波罗”登月计划,使用了多种SE方法，其成功极大地提高了SE的地位,2022/12/5,国际应用系统分析研究所（IIASA）在维也纳成立,SE的应用开始从工程领域进入到社会经济领域，并发展到了一个重要的新阶段。,SE的广泛应用在国际上达到高潮,SE在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高潮,2022/12/5,系统工程在中国的发展及应用,上世纪50至60年代，我国的一些研究机构和著名学者为SE的研究与应用作了理论上的探讨、应用上的偿试和技术方法上的准备。其主要标志和

11、集中代表是钱学森的工程控制论、华罗庚的统筹法和许国志的运筹学。 我国大规模地研究与应用SE是从70年代末、80年代初开始的。,2022/12/5,1978年9月27日，钱学森、许国志、王寿云在文汇报发表题为“组织管理的技术系统工程”的长篇文章；从1978年起，西安交大、天津大学、清华大学、华中理工大学、大连理工大学等国内著名大学开始招收了第一批SE专业硕士研究生； 1980年11月，中国系统工程学会在北京成立；1980年10月至1981年1月，中国科协、中央电视台会同中国系统工程学会、中国自动化学会联合举办“系统工程电视普及讲座（45讲）”，取得了良好的社会效果。,系统工程在中国的发展及应用,

12、2022/12/5,70年代末以来，应用SE理论和方法来研究与解决我国的重大现实问题，在许多领域和方面取得了较好的效果，如：人口问题的定量研究及应用（始于1978年）、2000年中国的研究(1983至1985年）、全国和地区能源规划（始于1980年）、全国人才和教育规划（始于1983年）、农业系统工程（始于1980年）、区域发展战略（始于1982年）、投入产出表的应用（始于60年代和1976年）、军事系统工程（始于1978年）、水资源的开发利用（始于1978年）等。 90年代以来，系统工程在与企业发展结合、与现代信息技术结合、与实施可持续发展战略结合、与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势

13、头,系统工程在中国的发展及应用,2022/12/5,研究对象：系统工程以工业、农业、交通、军事、资源、环境、经济、社会等领域中的各种复杂系统为主要对象；学科知识体系：以系统科学、控制科学、信息科学和应用数学为理论基础，以计算机技术为基本工具，以优化为主要目的；系统工程与控制科学、管理科学、信息科学、经济学和计算机科学有密切的联系。,系统工程研究对象及学科体系,2022/12/5,4、系统模型及模型化,关于模型的概念有很多，这里介绍2种。模型：模型是所研究的系统、过程、事物或概念的一种表达形式，是现实或待实现的真实系统的映像。模型 是现实世界或问题的一种表达形式，是客观世界经过抽象思维后某种符号

14、、文字、图表、关系以及实体模样的一种表达,2022/12/5,系统模型及模型化,系统建模 对于所研究的系统通过一些工具、手段和方法（如类比、模拟或抽象）建立模型的过程； 系统建模的目的是根据总体最优化的目标，对系统进行优化；,2022/12/5,模型的特征：整体性：系统整体化的描述、抽象或模仿； 由那些与分析的问题有关的因素构成； 表明了有关因素间的相互关系；模型的基本组成部分 系统：描述的对象 要素：构成系统的各组成部分或子系统 关联：要素之间或系统与外部环境之间的关联关系 约束条件：系统所处的环境及受到的制约。,系统模型及模型化,2022/12/5,模型化 就是为了描述系统的构成和行为，对

15、实体系统的各种因素进行适当筛选后，用一定方式（数学、图像等）表达系统实体的方法。模型化的本质 利用模型与原型之间某方面的相似关系，在研究过程中用模型来代替原型，通过对于模型的研究得到关于原型的一些信息。,系统模型及模型化,2022/12/5,模型化的作用及地位 作用：模型本身是人们对客体系统一定程度研究结果的表达。这种表达是简洁的、 形式化的。模型提供了脱离具体内容的逻辑演绎和计算的基础，这会导致对科学规律、理论、原理的发现。利用模型可以进行“思想”试验。 地位模型的本质决定了它的作用的局限性。它不能代替以客观系统内容的研究，只有在和对客体系统相配合时，模型的作用才能充分发挥。,系统模型及模型

16、化,2022/12/5,模型的分类 （表征特征）,模型,仿真,形象,符号,概念,图像,物理,数学,图 模型分类,系统模型及模型化,2022/12/5,模型分类,模型可以取各种不同的形式，不存在统一的分类原则。这里介绍一种分类方式： 按照模型的表现形式可以分为物理模型、数学模型、结构模型和仿真模型。 物理模型也称实体模型，又可分为实物模型和类比模型。实物模型：根据相似性理论制造的按原系统比例缩小（也可以是放大或与原系统尺寸一样）的实物，例如风洞实验中的飞机模型，水力系统实验模型，建筑模型，船舶模型等,2022/12/5,类比模型：在不同的物理学领域（力学的、电学的、热学的、流体力学的等）的系统中

17、各自的变量有时服从相同的规律，根据这个共同规律可以制出物理意义完全不同的比拟和类推的模型。 例如在一定条件下由节流阀和气容构成的气动系统的压力响应与一个由电阻和电容所构成的电路的输出电压特性具有相似的规律，因此可以用比较容易进行实验的电路来模拟气动系统。,2022/12/5,模型分类,数学模型用数学语言描述的一类模型。数学模型可以是一个或一组代数方程、微分方程、差分方程、积分方程或统计学方程，也可以是它们的某种适当的组合，通过这些方程定量地或定性地描述系统各变量之间的相互关系或因果关系。除了用方程描述的数学模型外，还有用其他数学工具，如代数、几何、拓扑、数理逻辑等描述的模型。需要指出的是，数学

18、模型描述的是系统的行为和特征而不是系统的实际结构。,2022/12/5,模型分类,结构模型主要反映系统的结构特点和因果关系的模型。结构模型中的一类重要模型是图模型。此外生物系统分析中常用的房室模型（见房室模型辨识）等也属于结构模型。结构模型是研究复杂系统的有效手段。,2022/12/5,图模型属于结构模型，可用于描述自然界和人类社会中的大量事物和事物之间的关系。在建模中采用图模型可利用图论作为工具。 按图的性质进行分析为研究各种系统特别是复杂系统提供了一种有效的方法。构成图模型的图形不同于一般的几何图形。例如，它的每条边可以被赋以权，组成加权图。权可取一定数值，用以表示距离、流量、费用等。加权

19、图可用于研究电网络、运输网络、通信网络以及运筹学中的一些重要课题。图模型广泛应用于自然科学、工程技术、社会经济和管理等方面。见动态结构图、信号流程图、计划协调技术、图解协调技术、风险协调技术、网络技术、网络理论。,2022/12/5,仿真模型,通过数字计算机、模拟计算机或混合计算机上运行的程序表达的模型。采用适当的仿真语言或程序，物理模型、数学模型和结构模型一般能转变为仿真模型。关于不同控制策略或设计变量对系统的影响，或是系统受到某些扰动后可能产生的影响，最好是在系统本身上进行实验，但这并非永远可行。原因是多方面的，例如：实验费用可能是昂贵的；系统可能是不稳定的，实验可能破坏系统的平衡，造成危

20、险；系统的时间常数很大，实验需要很长时间；待设计的系统尚不存在等。在这样的情况下，建立系统的仿真模型是有效的。,2022/12/5,工业模型,工业模型,俗称手板.首板模型,和快速成型,主要制作方法有CNC加工,激光快速成型和硅胶模小批量生产,广泛应用于工业新产品设计研发阶段。在最短的时间内加工出和设计一致的实物模型,设计师进行产品外观确认和功能测试等,从而完善设计方案 .达到降低开发成本.缩短开发周期,迅速获得客户认可的目的。,2022/12/5,系统模型及模型化,系统建模的总体框架,2022/12/5,建模的基本步骤 模型问题化。明确建模的目的（说明解决问题、预测、决策和设计新的系统）、对象

21、（自然科学、社会科学、工程技术领域）和要求（模拟、仿真；定性、定量结果表达）；包括解决哪些问题、如何解决这些问题；以便使模型满足实际要求，不致产生太大偏差； 模型目标化。建立模型的目标，如质量、效益、成本等；并表述为相应的形式，如单目标、多目标；最大化、最小化； 模型规范化。如问题的界限、解决问题的方式要求、精度要求、结果的表达形式等,系统模型及模型化,2022/12/5,模型要素化。弄清系统中的主要因素（变量）及其相互关系（结构关系和函数关系） 以便使模型准确表示现实系统； 模型关系化。确定模型的结构，分析模型各要素之间的影响和因果联系，包括约束条件等；奠定模型量化的基础； 模型参数化。估计

22、模型的参数，用数量来表示系统中的因果关系； 模型形式化。选择模型的某种表达形式，如定量化表示； 模型简洁化。在反映模型问题、模型目标和模型规范为前提下，对模型进行进一步的简化； 模型求解 模型检验与修订。根据实验结果，对模型作必要的修改。,系统模型及模型化,2022/12/5,概念利用数学语言来描述系统的行为的一类模型 变量性质分类 确定性模型、随机模型、模糊模型、灰色模型；连续模型、离散模型、混合模型； 线性模型与非线性模型； 动态模型与静态模型； 系统工程与管理科学领域中的常用模型 经济模型、人口模型、交通模型、生态模型、预测模型、决策模型、排队模型、库存模型、规划模型、评估模型等,数学模

23、型与系统优化,数学模型,2022/12/5,系统优化的概念 就是从备选方案中找出某系统的最优解； 最优化问题数学模型的组成 变量（决策变量、策略变量）； 目标函数，收益函数或利润函数；两种类型； 约束，可行性条件； 最优化方法解决实际问题的步骤 找出最优化问题； 分析模型，选择或设计合适的求解算法； 编程实现，用计算机实现算法，并进行分析； 最优化问题的一般数学模型,系统优化,数学模型与系统优化,2022/12/5,系统优化问题的分类 极值问题和数学规划问题 数学规划问题分为：线性规划、整数规划、0-1规划、目标规划、动态规划； 确定性优化问题、随机规划、模糊规划； 静态优化问题和动态优化问题 网络最优化问题：最大流、最短路 系统优化的求解方法 间接法 （解析法）：适用于解析表达式 直接法：隐式函数，常根据经验或实验得到；直接搜索或迭代 数值计算法： 以解析法为基础，以计算机为工具； 网络优化方法：图论为基础,数学模型与系统优化,