1系統(tǒng)論和信息論CONTENTS第14章系統(tǒng)科學(xué)控制論和耗散結(jié)構(gòu)214.2課程標(biāo)準(zhǔn)

1.知識(shí)目標(biāo)識(shí)記維納（美國(guó)）、普里高津（比利時(shí)）在系統(tǒng)科學(xué)中的創(chuàng)新成果。理解并舉例說明反饋方法、功能模擬方法、黑箱方法。理解耗散結(jié)構(gòu)及的形成條件。

了解研究耗散結(jié)構(gòu)的意義。

2.能力目標(biāo)具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標(biāo)弘揚(yáng)科學(xué)家精神，博學(xué)德清，鼎新致用。一、控制論（一）產(chǎn)生與發(fā)展1948年，維納的《控制論》一書的出版，標(biāo)志著控制論的誕生?？刂普摰陌l(fā)展，大致分為三個(gè)時(shí)期：

第一個(gè)時(shí)期，在20世紀(jì)40年代末和50年代，是經(jīng)典控制論時(shí)期。

人們?cè)诠I(yè)生產(chǎn)等方面，開始采用各種自動(dòng)調(diào)節(jié)器、電子設(shè)備等，著重研究單機(jī)自動(dòng)化或局部自動(dòng)化。

第二個(gè)時(shí)期，在60年代，是現(xiàn)代控制論時(shí)期。

隨著導(dǎo)彈系統(tǒng)、人造衛(wèi)星、航天系統(tǒng)等科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，研究從單變量控制轉(zhuǎn)到多變量控制，從自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)到最優(yōu)控制。第三個(gè)時(shí)期，在20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在，是大系統(tǒng)理論時(shí)期。

不僅發(fā)展了工程控制論，還產(chǎn)生了生物控制論、經(jīng)濟(jì)控制論、人工智能等。無人機(jī)的研制和發(fā)展。

第二節(jié)控制論和耗散結(jié)構(gòu)（二）基本概念

1.控制控制指的是一種帶有目的性的因果聯(lián)系，即產(chǎn)生原因系統(tǒng)（施控系統(tǒng)）對(duì)產(chǎn)生結(jié)果系統(tǒng)（受控系統(tǒng)）有目的的影響干預(yù)。控制一般包含三個(gè)基本要素：施控主體、受控客體和傳遞控制作用的特定方式或途徑。

2.反饋反饋就是系統(tǒng)輸出的全部或一部分，通過一定的通道反送回輸入端，從而對(duì)系統(tǒng)的再輸入和再輸出施加影響的過程。開環(huán)控制和閉環(huán)控制示意圖門廳反饋裝置

（三）基本方法1.反饋方法是運(yùn)用反饋概念來分析和處理問題的方法。用維納的話說，就是“根據(jù)過去的操作情況去調(diào)整未來的行為”。例如，蝙蝠捉蚊子等。2.功能模擬方法

就是以功能和行為的相似為基礎(chǔ)，用模型模仿原型的功能和行為的方法。蝙蝠是利用“超聲波”在夜間導(dǎo)航的。它的喉頭發(fā)出一種超過人的耳朵所能聽到的高頻聲波，這種聲波沿著直線傳播，一碰到物上體就迅速返回來，它們用耳朵接收了這種返回來的超聲波，使它門能作出準(zhǔn)確的判斷，引導(dǎo)它們飛行。功能模擬方法示意圖3.黑箱方法是指當(dāng)不知道或根本無法知道一個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)對(duì)系統(tǒng)輸入和輸出變化的觀察，來探索系統(tǒng)的構(gòu)造和機(jī)理的一種方法。中醫(yī)看病是應(yīng)用黑箱方法的典型。偵探破案用的是黑箱方法中醫(yī)看病用的是黑箱方法

二、耗散結(jié)構(gòu)耗散結(jié)構(gòu)理論通過對(duì)非平衡系統(tǒng)自組織過程的刻畫，從一個(gè)側(cè)面科學(xué)地說明了系統(tǒng)從無序向有序轉(zhuǎn)化的具體機(jī)制。1969年，比利時(shí)科學(xué)家普里高津(1917～2003)提出的耗散結(jié)構(gòu)理論，回答了系統(tǒng)演化的方向和演化的機(jī)制問題，解決了長(zhǎng)期以來存在的熱力學(xué)和進(jìn)化論之間的矛盾。并因此獲得1977年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。普里高津(1917—2003)

（一）耗散結(jié)構(gòu)機(jī)制

克勞修斯于1865年發(fā)表一篇論文，提出了“熵”的概念：將不能做功的隨機(jī)和無序狀態(tài)的能定義為熵，S=Q/T。

在封閉系統(tǒng)中，有兩物體，它們的溫度分別為T1和T2

，且T1﹥T2

。如在很短的時(shí)間內(nèi)，有dQ的熱量從T1傳到T2，因?yàn)門1﹥T2

，則有：

dQ/T2-dQ/T1﹥0

這就導(dǎo)致了熵的增加。即：

孤立系統(tǒng)的熵總是會(huì)自發(fā)地趨于極大。按照耗散結(jié)構(gòu)理論的解釋，一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的熵是由兩部分組成的。其一是系統(tǒng)自身因不可逆過程引起的熵(dis)，它永遠(yuǎn)是正的；其二是系統(tǒng)與環(huán)境交換物質(zhì)和能量引起的熵(des)，它可正可負(fù)。

所以系統(tǒng)的熵變化

ds=dis+des，

它是可正可負(fù)的。系統(tǒng)開放，有可能能引進(jìn)負(fù)熵流

對(duì)于孤立系統(tǒng)來說，因?yàn)樗慌c環(huán)境交換物質(zhì)與能量，所以des=0。

這樣ds=dis+des≥0

即孤立系統(tǒng)只能從有序走向無序，表現(xiàn)出退化的趨勢(shì)。對(duì)于開放系統(tǒng)，只要從環(huán)境中流入的負(fù)熵足以抵消系統(tǒng)自身的熵增加，就可以使系統(tǒng)的總熵減少，從而使系統(tǒng)從無序向有序進(jìn)化，形成并維持一個(gè)低熵的非平衡態(tài)的有序結(jié)構(gòu)。比如，人體就是耗散結(jié)構(gòu)。由于這種有序結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和維持需要從外部不斷供應(yīng)物質(zhì)和能量，所以是一種耗費(fèi)或耗散物質(zhì)和能量的過程，因此稱之為耗散結(jié)構(gòu)。流水時(shí)有序結(jié)構(gòu)

1.貝納德流體實(shí)驗(yàn)從底部加熱金屬平板上的一層流體，開始時(shí)，流體呈無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。當(dāng)溫度梯度達(dá)到某一閾值時(shí)，系統(tǒng)無序狀態(tài)消失，大量流體微團(tuán)從一個(gè)個(gè)緊密擠排在一起的正六邊形中心涌上，又從各邊流下，系統(tǒng)流動(dòng)呈規(guī)則的花樣。

2.激光實(shí)驗(yàn)在用光泵將其基態(tài)上的電子打到高能態(tài)上后，這些電子會(huì)自動(dòng)跳回到中能態(tài)上。當(dāng)中能態(tài)上的電子數(shù)超過基態(tài)上的電子數(shù)后，中能態(tài)上的電子會(huì)跳回基態(tài)，同時(shí)放出一個(gè)光子，該光子又激發(fā)另一電子跳遷，如此產(chǎn)生雪崩式的電子跳遷和光子發(fā)射。

由于電子順序激發(fā)產(chǎn)生的激光光子相干（干涉）性好，方向性好，能量集中，就產(chǎn)生了激光現(xiàn)象。貝納德流體和激光實(shí)驗(yàn)

3.B（布）-Z（扎）反應(yīng)

B--Z反應(yīng)是由布羅索夫和扎博亭斯基發(fā)現(xiàn)的化學(xué)振蕩反應(yīng)。在鈰離子作催化劑的檸檬酸和溴酸的氧化反應(yīng)中，不斷取走生成物和添加反應(yīng)物，使之保持一定比例，當(dāng)反應(yīng)濃度達(dá)到一定閾值時(shí)，加入顯示劑可以看到生成物由紅變藍(lán)，再由藍(lán)變紅，呈1分鐘周期，生成濃度產(chǎn)生振蕩。B（布）-Z（扎）反應(yīng)（二）耗散結(jié)構(gòu)形成的條件

1.系統(tǒng)必須開放

開放系統(tǒng)，從環(huán)境中流入的負(fù)熵足以抵消系統(tǒng)自身的熵增加，就可以使系統(tǒng)的總熵減少，從而使系統(tǒng)從無序向有序進(jìn)化，形成并維持一個(gè)低熵的非平衡態(tài)的有序結(jié)構(gòu)。

2.系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)“非平衡是有序之源”。

如果這種改變不是發(fā)生在臨界點(diǎn)附近，那么系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)會(huì)平息漲落，系統(tǒng)依然是穩(wěn)定的。如果漲落被放大到臨界點(diǎn)附近，結(jié)構(gòu)無法調(diào)整這些機(jī)制，穩(wěn)定將轉(zhuǎn)化為失穩(wěn)，宏觀的時(shí)空結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。

3.系統(tǒng)存在非線性相互作用

自組織是自然自主地或自發(fā)地組織化、有序化、系統(tǒng)化運(yùn)動(dòng)的過程具有非線性相互作用。自組織系統(tǒng)不僅無須外指令即可自行組織，而且可以自行創(chuàng)新、自行演化，即能自主地從無序走向有序。

4.漲落導(dǎo)致有序在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)，系統(tǒng)中一個(gè)微觀隨機(jī)的小擾動(dòng)就會(huì)通過相干作用得到放大，成為整體的宏觀“巨漲落”，推動(dòng)系統(tǒng)從