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对于什么是控制学，不同学者有不同的提法。 按照维纳的意见，控制学是关于动物、机器和社会的控制与通信的科学。这样界定的控制学不限于技术科学层次，层次不清楚，与维纳本人的研究实践相符合。 根据钱学森关于系统科学的学科层次划分，黄琳提出控制学“是研究在一定限制条件下，发挥能动性以实现对系统的控制的一门技术科学”。这个定义点明了控制学是关于发挥能动的科学，有新意。钱学森关于控制学是讲系统成员关系的人为调控以达到系统整体运行优化的提法，坚持了技术科学的观点。这两种提法忽略了对生物体和自然界的自控行为的研究，显得窄了点，有明显的工程控制学背景。 目前控制学最成功的应用仍是工程控制问题，但同时在生物控制、经济控制和社会控制等领域也取得不少进展。 15.1 系统与控制控制的概念是很普遍的，工程技术中的调节、补偿、校正、操纵，社会过程中的领导、指挥、支配、管理、经营、教育、批评、制裁等，都是一定的控制行为。在生命过程中，中枢神经活动是一种控制过程。广义地讲，因果关系是原因对结果的控制。控制学的创始者都把因果关系作为这门学科的哲学基础。 控制是一种系统现象。撇开具体内容来看，凡控制总要涉及施控者和受控者两种实体（主体和客体），控制是施控者影响和支配受控者的行为过程，如图15. 1所示。
控制是种有目的的活动，控制目的体现于受控对象的行为状态中。受控对象（所选定的合目的的对象）必有多种可能行为和状态，有些合乎目的，有些不合乎目的，由此规定了控制的必要性：追求和保持那些合目的的状态，避免和消除那些不合目的的状态（洗澡去皮）。 只有一种可能状态的对象没有控制的必要。控制是施控者的主动行为。施控者应有多种可供选择的手段作用于对象，不同手段的作用效果不同，由此规定了控制的可能性：选择有效的、效果强的手段作用于对象。 只有一种作用手段的主体实际上没有施控的可能性。控制就是施控者选择适当的控制手段作用于受控者，以期引起受控者的行为状态发生合目的的变化，或者呈现有益的行为，或者抑制并消除不利的行为。所以，控制就是选择，没有选择就没有控制。 控制与信息是不可分的。在控制过程中，必须经常获得对象运行状态、环境状况、控制作用的实际效果等信息，控制目标和手段都是以信息形态表现并发挥作用的。控制过程是一种不断获取、处理、选择、传送、利用信息的过程。所以维纳认为：“ 控制工程的问题和通讯工程的问题是不能区分开来的，而且，这些问题的关键并不是环绕着电工技术，而是环绕着更为基本的消息概念，不论这消息是由电的、机械的或是神经的方式传递的。”
消息是由语言、文字、数字等组成的符号序列，信息是这些符号序列中包含的内容。消息是信息的携带者，但并非任何消息都携带着信息。有意义的符号序列才包含信息。一条消息是否包含信息，还与消息接收者的知识状况有关。信息是消息接收者从消息中得到的新知识。信息是对消息接收者来说预先不知道的报道。 通信是把信息从发送处传输到接收处的过程。人们之所以要通信，是由于接收信息者（施控者）需要了解发送信息者的状态、行为、属性、需求等。假定发信者的状态或行为只有一种可能， 收信者知其固定不变，便没有通信的必要（无法选择的奴隶、宅化、各依赖症）。只有当发信者的状态或行为有多种可能情形，才会产生对通信的需求。通信的前提是存在不确定性，通信的目的和功能是消除不确定性。一个参加高考的学生在未收到录取通知书之前，自己的前途存在种种不确定性，录取通知书能给他带来消除这些不确定性的信息。可见，消息中包含的信息具有能够消除收信者的不确定性、增加其确定性的意义和作用。通信科学由此认定：信息是通信中消除了的不确定性，亦即通信中增加了的确定性。 通信过程中，由于种种原因，收信者在收到消息后不一定能消除全部不确定性，甚至可能没有消除任何不确定性。某人由北京赴杭州前电告那里的朋友：“我于6月5日乘早班机赴杭。”朋友接电报后，关于乘哪种交通工具及动身日期的不确定性消除了，乘晚班机的可能性也排除了，但乘8时或11时的早班机这种不确定性未消除。基于这种情形，信息学奠基者申农把信息定义为“两次不确定性之差”，即 信息=（通信前的不确定性）—（通信后的不确定性）从通信工程的角度看，所要消除的不确定性主要是消息发生的偶然性、随机性。对于通信系统的设计者来说，不计其数的用户要传送什么消息是无法预先确定的随机事件。通信系统的设计不应当针对某些特定用户和某一次特定通信，而应针对大量用户在长时间内发送消息的平均情况，即把消息的发送看作种随机事件序列。 设计者面对的是一种统计不确定性。通信所要消除的是随机不确定性，申农信息是一种统计信息，或称概率信息。 插播：系统从有序到无序，又从无序到有序的变化过程，也就是协同中包含着竞争，竞争又破坏协同，又建立起新的协同的过程。这种过程的动力并不能简单地归结为系统内部的矛盾，而是整个系统内部诸差异的力和系统外部环境诸差异的力，形成总的合力作用的结果，是一种非线性运动的推动力。 14.10 哲学信息观信息是人类知识中一个绝无仅有的大概念，标志一种新科技、一种新时代、一种新社会形态、一种新文明。这就决定了从实证研究到哲学思辨、从科学文化到人文文化、从基础科学到工程技术、从学理探讨到实际应用都需要开展信息研究。由此开辟出一个十分广阔的知识领域。这就是信息科学，是现代科学技术体系的一个独立大部门。钱学森生前没有接爱这一点， 是一件憾事。遵照钱学森的科学技术体系学，应该有一座桥梁把信息科学同辩证唯物主义哲学沟通起来。这座桥梁就是信息哲学，或简称信息观。 维纳在1948年指出：“信息就是信息，不是物质，也不是能量。不承认这一点的唯物论， 在今天就不能存在下去。”维纳的意见很明确，不能存在下去的并非所有的唯物论，而是不承认存在非物质的信息的唯物论。言外之意，唯物论必须有重大发展，必须建立承认信息是非物质的唯物论。这著名论断发出信息哲学的第一声，开启了唯物主义哲学的新时代。经过半个多世纪的争论和研究，特别是邬焜的开创性工作，辩证唯物主义的信息哲学已初步建立起来。 信息的发现，信息概念的提出，首先导致哲学存在论的根本性变革。信息时代的唯物论断言，客观世界既存在物质，又存在信息，物质与信息是两种不同的客观存在，缺一不成其为客观世界。或者说，客观世界是物质与信息共存的世界。仅仅看到物质的存在，看不到非物质的信息的存在，是迄今唯物主义哲学本体论的一大缺失，已经不能继续存在下去了。信息哲学消除了这一缺失。 但辩证唯物主义的信息观也不赞同物信二元论，因为客观世界的物质与信息并非半斤八两，而是对称破缺的。物质是客观世界存在和演化的基础，信息是客观世界存在和演化的导向。物质不生不灭，能够改变的只是它的具体存在方式；信息是非物质的存在，可创生，可消灭。一切形式的物质存在都有信息，一切信息都不能离开物质而单独存在，即没有裸信息。总之，物质是第一性的存在，信息是第二性的存在。 信息的发现也使唯心论获得新的表现形式，目前出现的是惠勒的信息观。它包含两个基本命题：其一，关于存在的本质，惠勒断言“万物皆信息”。其二，关于存在的起源，惠勒断言“万物源于比特”。 惠勒讲的比特就是信息，他的前一命题其实是后一命题的推论。合而言之，惠勒断言物质不是世界的本原，信息才是世界的本原，信息是世界的原初存在，物质是由信息派生出来的。这是一种信息一元论的本体论， 可称为唯信息主义，或唯信论，是唯心论在信息时代的种表现形式。 信息时代的辩证唯物主义只能在同信息时代的唯心主义的斗争中得到发展。 信息的发现，信息与物质相互关系的研究，显著地丰富了辩证法，揭示出信息固有的辩证本性： 第一，信息与物质互为对立面。信息既是非物质的存在，又是作为物质的一种特殊性质而存在——作为物质的矛盾对立面而存在。一个物质性存在的自我否定性，就是它的信息性。人们既然承认“意识既是非物质性的存在，又是人脑这种高级物质的属性”，就应该逻辑地承认“非意识信息既是非物质性的存在，又是低级形态物质的属性”。不承认非物质的存在，物质的存在就没有矛盾对立面，对立统一规律就不是普遍规律。此乃唯物辩证法经典形态的一个逻辑漏洞，随着信息的发现而得以消除。 第二，信息对物质的依赖性。作为非物质的信息，不能离开物质而存在，也不能离开物质运动而运作。一切具体的信息都是作为具体的物质性存在的属性而存在的，世界上没有离开物质而单独存在的裸信息。谈信息，不能不涉及信源、信宿、信道、信码、信息存储体等，它们都是物质性存在。一切信息载体都是某种物质性存在，即使符号载体也具有物质性（系统性）。一切信息运作，即信息的获取、编码、传送、加工处理、储存、提取、使用、消除等，都是通过对一定物质载体的操作而实现的，没有脱离物质运动的裸信息运作。 第三，信息具有演化性。离开信息，客观世界将成为死寂的世界。作为物质性存在的自我否定性，信息能够引导物质性存在发生变化，向自己的他物转化，故信息是一种主导物质性存在发生演变的特性。信息有两种高低不同的基本形态，非意识(非精神)的信息是信息的低级形态，意识(精神)是信息的高级形态。客观世界首先存在的是非意识信息，物质与非意识信息构成客观世界的一对元矛盾，即客观世界尚未出现精神或意识时就已经存在的矛盾，客观世界的切其他矛盾都是从这对元矛盾中生发出来的。特别是，物质与精神的矛盾，或存在与意识的矛盾，是由这对元矛盾的演化发展而产生的后发矛盾。 第四，信息是一种系统现象或系统属性，是事物相互关系的反映。信息的实际发生和运作，至少要有信源与信宿两大要素构成的系统，缺一不会出现信息和信息运作。 信息既是事物(作为信源)的自我表征特性和能力，也是事物对他者(作为信宿)的反映特性和能力，一身而二任。这就是矛盾，是信息固有的辩证本性。自我与他者互为存在条件，信源与信宿互为存在条件。一个物质性存在既有其自我表征的特性和能力，也有其对他者的反映特性和能力；但只有在形成自我(信源)（主体）与他者(信宿)（客体）的特定关系(系统)（主体视角之大我，客体视角之大他者）时，作为信源的一方才能呈现出自我表征的特性和能力，作为信宿的一方才能呈现出对他者的反映特性和能力。由此而产生的信息，所表征的是信源的特性、状态等，但同时与信宿的反映特性和能力有关，是两者相互关联、相互作用的结果。 同一信源A可以与不同信宿B、C等构成不同的信息系统。信宿B从信源A获得的信息，不仅与A的自我表征特性有关，还与B自身的反映特性有关。信宿C从信源A获得的信息，不仅与A的自我表征特性有关，还与C自身的反映特性有关。不同信宿从同一信源获取的信息一般是不同的，因为信宿的反映特性不同。对于简单系统，如通信工程系统，信宿对信息的影响允许忽略不计；而复杂系统之所以复杂，就在于它的信息运作一定要考虑信宿对信息的影响。 第五，虚拟现实性。客观世界是虚、实辩证统一的，作为非物质性存在的信息代表虚的一面，物质代表实的一面。信息既是物质性存在的自我表征特性，又是对他物的反映特性，这也是辩证统一的（力的作用是相互的）。这种辩证性使得信息具有虚拟现实性，能够借助适当载体让人获得对物质对象的感受，却并非物质对象本身，而是虚拟的现实，虚与实达成统一。
“太虚虚而不虚, 虚即气。知虚之不为虚, 则不得谓之无。……逼塞充实, 无有空阙, 无一毫可容间也, 然挹之则虚, 执之则无, 然而却实不得谓之无也。”物质是由物质派生的, 不可能生于非物质。气的存在延续靠的是自身的聚散运动而不是无中生有、为它所生。气“挹之则虚, 执之则无, 然而却实……” 绝非佛家的真空, 也非道家的无, 而总是带着自身的物质性存在着, 在那里“寂然不动”, 这便是气的“诚者自成”的特性。
系统总是过程的发展恩格斯说，当我们说，物质和运动既不能创造也不能消灭的时候，我们是说：宇宙是作为无限的进步过程······而且这样一来，我们就理解了这个过程中所必须理解的一切。（杀生者不死，生生者不生） 运动和过程的关系是辩证的。运动是过程的前提，过程是运动的表现。同一系统运动的一个周期构成运动环。运动环持续不停顿的周期循环运动的轨迹，表征着系统的产生、发展与消亡的历史，即过程。（其为物，无不将也，无不迎也；无不毁也，无不成也。其名为撄宁。撄宁也者，撄而后成者也。） 系统的发展表现为过程、表现为转化（冲气以为和）。而过程本身、转化本身都是一定的系统。这一点恩格斯早就写道：“关于自然界所有过程都处在一种系统联系中的认识，推动科学从个别部分和整体上到处去证明这种系统联系。” 物质运动形式既是多样的，又是统一的，是一个系统发展的过程。列宁指出：“多样性不但不会破坏在主要的、根本的、本质的问题上的统一，反而会保证这种统一。”（彼是莫得其偶，谓之道枢。枢始得其环中，以应无穷。）（“超以象外，得其环中，持之匪强，来之无穷”强调诗歌意境的妙处在其虚的部分上，艺术家在创作过程中，应驰骋艺术想象，超乎所表现者的物象之外，由实入虚，如门枢一入环中，即可转动如意，以应无穷。）
就个别存有而言，则有造物与造化两方面的作用。 造物着眼于赋予个体存有以具体形态的有和生，而造化则指向生和有的具体形态的消解。造物者与造化者是同一的。但造物和造化两种作用却是相反的，当然亦是相成（承）的。生和有总是在维持自身同一的倾向中不断变化。一旦实现了自身同一，换言之，变化停止了，生命也就消失了。而变化又总是在生和有的基础上才能出现，如果没有造物的作用所赋予的生和有，造化的作用也就无所施加。从生的角度（主观）出发，则造物为体，造化为用；以死的角度（客观）看，则造化为体，造物为用。统体而言（大系统），则造物与造化互为体用。死生存亡，非一体而何？ 就大化流行的统体而言，则只见造化之功。（超系统、非系统性） 造化可兼造物之义。造化既指向旧体的销熔，又指向新体的锻造，因此是兼有造物之义的。“藏天下于天下”，谓与变化同体。与变化同体者无所藏，故亦无所遁。“恒”者，常也。“恒物”，即不变者。无物在变化之外，唯变化恒常不变。而变化无非造化之迹而已。
系统从一个状态（始态）变成另一个状态（终态），我们就说：发生了一个过程 热力学把过程分为自发过程与非自发过程。自发过程是自然界自然而然地发生的过程，顺其自然，就会发生；非自发过程则是不会自然发生的过程。 热力学证明，在一个封闭系统中若发生自发过程，系统必定具有向环境做有用功的可能性。反之，若必须向一个封闭系统做有用功，系统内才会发生一个过程，这个过程必定是一个非自发过程。 过程为恒温恒压时，能以吉布斯自由能决定其自发性，其数学式如下： ΔG=ΔH-TΔS 由上式可知，吉布斯自由能（G）变化量之正负取决于焓（H）、熵（S）之变化量以及绝对温度（T）之大小。当绝对温度之值等于焓变化量对熵变化量之比值时，吉布斯自由能之变化量为零。 当过程之吉布斯自由能变化量为： 负值，该正向过程为自发。 正值，该正向过程为非自发，但反向过程为自发。 零，该过程处于热力学平衡，系统随时间无净变化。 借由上式，讨论焓变化量与熵变化量对吉布斯自由能变化量之影响，分为四种情况：
后两个情况下，可由焓变化量对熵变化量之比值大小，决定该过程之温度为高温或低温 8.4自组织原理自组织理论的基本信念是：尽管现实世界的自组织过程产生的结构、模式、形态千差万别，必定存在普遍起作用的原理和规律支配着这种过程。现代科学还不能系统地揭示自组织的一般规律，但已获得许多深入的认识，提出一系列自组织原理，主要有： 涌现原理 一种自行组织起来的结构、 模式、形态，或者它们所呈现的特性、行为、功能，不是系统的构成成分所固有的，而是组织的产物、组织的效应，是通过众多组分相互作用而在整体上涌现出来的，是由组分自下而上自发产生的。自下而上式、自发性、涌现性是自组织必备的和重要的特征。 开放性原理 一个与环境没有任何交换的封闭系统不可能出现自组织行为，对环境开放即与外界进行物质、能量、信息交换的系统才可能产生自组织运动。普利高津以总熵变公式 dS=diS+deS 为工具，科学地论证了开放性是自组织的必要条件。如图8.1所示， diS是系统内部混乱性产生的熵，称为熵产生，热力学原理决定熵产生为非负量，diS≥0；deS 是系统通过与环境相互作用而交换来的熵，称为熵交换或熵流，可正可负。有四种可能情形：
(1) deS=0，系统是封闭的，与外界没有交换，内部熵产生使系统混乱程度不断增加，不可能出现自组织，只可能产生组织的自发退化； (2) deS>0，与外界交换得到的是正熵，总熵变dS>0，系统以比封闭状态下更快的速度增加混乱程度，不会发生自组织； (3) deS<0，但|deS|<diS，通过对外开放从环境中取得负熵，但从环境中得到的负熵不足以克服内部的熵增加，总熵变dS=diS+deS≥0，系统也不会发生自组织； (4) deS<0，且|deS|>diS，从环境中得到的负熵大于内部的熵增加，总熵变dS<0，系统出现减熵过程，即自组织过程。 上面的论证表明，对外开放是系统自组织的必要条件，封闭系统不可能出现减熵运动；但开放性只是自组织的必要条件，错误的开放从外界得到的是正熵，必将导致系统有序结构更快的瓦解；正确的开放才能从外界得到负熵，但若开放程度不够，通过熵交换从外部得到的负熵不足以克服自身的熵增加，仍然不能出现自组织。只有正确而又充分地对外开放，才能保证系统出现自组织。 以上论证只对于明确定义了可计算熵的系统才有实际意义。但在隐喻的意义上，其结论适用于一切系统。 系统从无到有的自组织运动是逐步区分内部与外部，把自己与外部环境区分开来的过程。系统不仅要有开放性，同时要有封闭性或隔离机制，以保证已积累的信息和能量不至流失，防止外部有害因素的侵袭。自组织过程是系统开放性与封闭性的统一。（万物负阴而抱阳） 非线性原理 满足叠加原理的线性相互作用无法产生自组织需要的整体涌现性，整体涌现性是系统组成部分之间、系统与环境之间非线性相互作用的产物，是典型的非线性效应。组分之间的相互作用大体分为合作和竞争两种形式，都是系统产生自组织的动力。没有组分之间的合作，没有系统与环境之间的合作，不会有新结构的出现。没有组分之间的竞争，特别是没有系统与环境中其他系统的竞争，也不会有新结构出现。合作与竞争本质上是非线性的。线性相互作用至多能产生平庸的自组织，真正的自组织只能出现在非线性系统中，而且要有足够强的非线性才行。 反馈原理 把系统现在的行为结果作为影响系统未来行为的原因，这种操作称为反馈。以现在的行为结果去加强未来的行为，是正反馈。以现在的行为结果去削弱未来的行为，是负反馈。新的结构、模式、形态在开始时总是弱小的，需要靠系统的自我放大(自我激励)机制才能生长、壮大。这就是正反馈机制。新系统常常是先生成它的基核，再凭借正反馈机制逐步长大。但新结构不能一直生长下去， 到一定程度就应稳定下来，不再增加规模，即系统应有自我抑制(自我衰减)机制。这就是负反馈机制。正反馈与负反馈适当结合起来，才能实现系统的自我组织。线性系统要么有正反馈而无负反馈，要么有负反馈而无正反馈；非线性系统才可能同时有正反馈和负反馈，把两者适当结合起来，使系统能够自我创造、维持和更新。 不稳定性原理 新结构的出现要以原有结构失去稳定性为前提，或者以破坏系统与环境的稳定平衡为前提。但新结构只有能够稳定下来才算确立了自己，并在环境中存续运行下去。一个不具备稳定机制的系统不可能真正产生出来，更不可能保持自己。自组织是稳定性与不稳定性的统一。鉴于不稳定性对自组织过程具有革命性意义，按照哈肯的说法，统称为不稳定性原理。线性系统要么稳定，要么不稳定，不可能同时存在稳定轨道和不稳定轨道；非线性系统可能同时存在稳定轨道和不稳定轨道，甚至同一条轨道部分稳定、部分不稳定，因而能够既使旧模式失稳，又使新模式稳定下来，从而产生自组织。 支配原理 系统内部的不同组分、 要素、趋势、力量、变量、模式之间如果不分伯仲，一样地起作用，系统就不会形成有序结构；只有形成少数趋势(或力量、模式、中心部分等)去引导、规范、支配大量其他组分、要素、趋势、模式等，使它们协同动作，才能形成有序结构。这种起支配作用的模式或力量，哈肯称为序参量，也就是亚当·斯密称为“看不见的手”的东西。这种支配模式是在组分之间、系统与环境之间相互合作与竞争中形成的，反过来，系统的组分、要素又是在这种模式的支配下相互合作与竞争，从而建立系统的有序结构的。不能在不同模式之间形成支配一服从关系的群体，不会出现有序结构。 涨落原理 状态量对其平均值的偏离， 称为涨落。涨落的特点是随机生灭，或大或小。按其来源，有内涨落和外涨落之分；按其规模，有小涨落、大涨落、巨涨落之分。真实系统都存在涨落。涨落在自组织中起极为重要的作用，系统通过涨落去触发旧结构的失稳，探寻新结构，系统在分叉点上靠涨落实现对称破缺选择，建立新结构。如图8.2所示，x1和x2是系统的两个稳定态，系统处于x1,但x2是更优越的状态。如果没有足够强的涨落推动，系统就不可能越过势垒X(极大点)，发现并趋达x2。所以，普利高津认为，涨落导致有序。
环境选择原理 在系统自组织过程中，一种结构或模式，特别是活的结构或模式，要接受环境的评价和选择，被环境选择的系统不一定是各方面最优者，但必定是能与环境协调共存者，至少是为环境允许存在者。这是广义达尔文原理。 诗圣杜甫云：“欣欣物自私。”诗仙李白云：“万物兴歇皆自然。”元素或组分的自发行为是系统自组织的基础。在没有中央集中控制机构、没有关于系统如何整合的统指令的情况下，系统的组分为了自身的生存发展，只根据各自能够获取的局部信息而采取行动，只在局部范围交换信息，不“了解”也不“考虑”自己的行动将对系统整体产生怎样的影响，带来何种后果，这就是自发性，它对系统整体目标具有盲目性。但只要条件适宜，这种自发运动能够使系统整体呈现出有序运动，这就是自发的自组织。 8.5 自组织的描述方法自组织过程是系统组分之间的互动互应过程，一个组分的行为变化，必然引起其他组分的回应，发生相应的行为变化，又反过来影响到该组分，形成复杂的互动互应网络关系。系统与环境之间也有互动互应，系统的每一变化都引起环境的回应，环境的每变化也引起系统的回应。正是在这种互动互应过程中，系统不断试探、学习和自我评价，寻找新的结构和行为模式，接受环境的评价和选择。因此，自组织过程必定是一种动态过程。（生产力决定生产关系，生产关系反作用生产力（非线性、涌现）） 现代科学方法论建立在理论、实验、计算三大支柱上。理论方法的核心是建立数学模型。计算指在电脑上进行数值模拟——一种新的实验方式，叫作数值实验。三种方法在自组织理论研究中均有大量应用。 作为动态过程的自组织运动，需以动力学方程作为数学模型。由于不存在特定的外部作用，自组织系统的数学模型，不论连续的或离散的，只能是齐次方程。第4~6章讨论的基本都是齐次方程描述的系统，因而提供了刻画自组织的适当工具。 对于物理化学系统中的简单自组织现象，一般可以建立数学模型，可以进行真实的实验研究。对于生命、社会、思维领域的复杂自组织现象，目前还没有有效的数学模型，进行真实的实验研究也很有限。最适用的方法是在电子计算机上做数值实验，模拟实际系统的自组织现象（网络游戏）。早期系统理论家维纳、申农、阿希贝等人首先应用这种方法研究自组织，现代系统理论家特别是圣塔菲的学者更把电脑模拟作为研究自组织的基本手段。 关于自组织现象的另一种属于系统科学的分类，是按照自组织过程实现的不同系统功能或方式来划分的，包括：自创生，自生长(发育)，自校正，自镇定，自适应，自维生，自学习，自复制，自修复，自更新，自老化，自消亡，等等。在实际系统中，同一自组织过程常常同时包含几种方式。例如，自适应常常包含自学习，通过自学习而达到适应环境。复杂系统的自创生，如地球上第一个活细胞的创生，必定同时包含自镇定、自维持、自学习、自适应、 自复制等。下面五节将分别讨论其中的五种自组织形式。 8.6 自创生系统的自创生，本义指在没有特定外力干预下系统从无到有地自我创造，自我产生、自我形成。一些作者把系统的自我更新、 自我修复也算作自创生，容易引起误解。 就复制出来的个体而言，作为从无到有的新产物，有创生的意思，但复制必须先有一个样本或母体，复制体的结构并非真正新的创造。自我更新亦然。严格意义上的自创生应指在没有样本或母体的条件下，一种全新的结构、模式、形态从无到有地自我产生出来。世界上第一个活细胞的出现是自创生，活机体中常见的细胞复制不是自创生，而是自复制。 第3章指出，新系统产生的基本方式之一是差异的整合，即许多被当作未来系统的元素和分系统的事物或实体经过整合而形成统一整体。从未被整合的事物群体(集合)到经过整合形成具有新的涌现性的统一整体，就是新系统的创生过程。如果这种整合是在没有特定外力干预下自发完成的，就是系统的自创生。除人类有意识地创建的系统外，现实世界的系统大多是自我创生的。 设想在同一环境中出现大量不同的实体或小系统，由于同环境的制约，它们逐渐发生相互联系、相互作用、相互回应，以至每一个实体的变化都受到其他实体的影响，并影响其他实体的变化。但多个实体之间存在相互作用不等于形成一个新系统，可能只是互为环境，对A来说，A与B的相互作用属于A与它的环境相互作用的一部分。但如果其中的n个实体或小系统通过相互作用以及与环境中其他实体的相互作用而整合成为一个统一体，区分开内部与外部（共之于内，求之方外），就表示创生出一个包含这n个组分的新系统。其本质差别是后者产生了整体涌现性，而前者没有出现这种整体涌现性。确切的判据是，后者作为整体具有统一的稳定定态(目的态)，前者不存在稳定定态。 研究这种系统自创生的理想手段是动力学方法。设有n个(一般应为巨量的)实体或小系统，各有自己的动力学方程，且互不耦合。假定从某一时刻起，彼此开始相互作用，每一个的变化都引起其余小系统的回应。这种互动互应关系发展到一定程度，总体上可以用一个联立方程组描述。一般来说，这是一种反复试探、评价、修正、选择的过程，动力学规律(方程的数学结构)和控制参量都在变化中。为简化描述，假定第一步是其中的n个实体或小系统形成确定的联立方程组描述它们的相互关系，但控制参量的选择尚未保证这个联立方程组具有稳定定态，即还没有形成具有特定整体涌现性的系统。第二步是控制参量变化，在控制空间中搜索，一旦得到稳定定态，动力学特性得以固定下来，就形成一个包含n个组分的新系统。这就是系统的自创生。 不续
要对受控者实施有效的控制，施控者应是一个系统，由多个具有不同功能的环节(工程系统中常称为控制元件)按一定方式组织而成的整体，称为控制系统(有时也把受控对象作为环节包括在内)。控制任务越复杂，系统的结构也越复杂。撇开具体控制系统的特性，仅从信息与控制的观点看，主要控制环节有： (1) 敏感环节，负责监测和获取受控对象和环境状况的信息，相当于人体的感官； (2) 决策环节，负责处理有关信息，制定控制指令，相当于人体的大脑：简单的系统只需将实际工作状况的信息同预期达到的状况进行比较，称为比较环节(元件)；对于复杂系统，如航天飞机、社会组织等，处理信息作出决策是一项繁重的任务，比较元件无法胜任，需以电脑作为决策环节； (3) 执行环节，根据决策环节作出的控制指令对对象实施控制的功能环节，相当于人体的执行器官手、脚等； (4) 中间转换环节，在决策环节和执行环节之间，常需有完成某种转换任务的功能环节，如放大环节、校正环节等，最重要的是放大环节，因为从比较环节输出的信号一般都是微弱的，无法驱动执行环节，需将其放大；校正环节等则是为改善系统动态品质而设置的。这些环节按适当的方式组织起来，就能产生所需要的控制作用这种系统功能。这也是一种整体涌现性。 控制理论惯用方框表示功能环节，用多个功能环节连接成的方框图表示控制系统。图15.1就是一种系统方框图。 现实世界的系统分为有控制的和无控制的两类。控制学只研究有控制的系统。在物质世界的进化史中，低级的系统中没有专门负责对各组成部分以及整个系统的行为进行调节控制的分系统，必要的调节活动是通过组分之间动态的相互作用或环境的限制而实行的，贝塔朗菲称之为初级调节。物质世界沿逐步复杂化方向演化到一定阶段，仅靠初级调节方式不足以满足复杂系统的需要，开始分化出专门负责对整个系统调节控制的分系统，贝塔朗菲称其为二级调节。所以，从无控制到有控制是物质世界进化的结果。在后续的进化中，出现越来越高级精致的控制方式，直到生命机体的控制系统。 15.2 控制任务一定的控制过程有一定的控制任务。按照控制任务的不同，可将控制系统分为以下几类。 (1)定值控制 在某些控制问题中，控制任务是使受控量y稳定地保持在预定的常值y₀上，称为定值控制。实际存在的干扰因素使y偏离yo,控制任务就是抑制和克服干扰的破坏作用，使系统尽快恢复原状态，故又称为镇定控制。实际过程并不要求严格保持y=y₀,只要求y对y₀的偏差∆y=y-y₀不超过许可范围。 图15.2是一个室温控制系统。室温T是受控量，控制任务是保持室温于T₀(例如18°C)。天气的变化，锅炉燃烧情况的波动，是引起室温起伏变化的干扰因素。模盒是温度敏感元件，随时监测室温T。T与T₀比较形成温差∆T=T-T₀。当|∆T|大于允许值时，误差信号经过传送放大，驱动阀门开大或关小，改变锅炉燃烧情况，以消除温差∆T，使室温T保持在T₀附近的许可范围内。
定值控制是最简单的控制任务。人的体温和血压的控制，飞行器巡航速度的控制，供电系统电压频率的控制，都是定值控制。社会系统也有这类控制。 (2)程序控制 在定值控制问题中，输入量或控制作用是常数，u=C。 但多数控制过程中的控制作用随时间而变化，u=u(t)。 如果u(t)的变动规律能够预先精确确定，可以将u(t)的变化规律作为一种程序表示出来，控制任务就是执行这个程序，因而称为程序控制。在结构实现上，这种控制需有专门机构储存程序，称为程序机构。在系统运行过程中，程序机构给出预定的程序，指挥控制系统工作，保证受控量按照程序而变化。定值控制可看作程序控制的特例。 采用程序控制的系统相当广泛。在工程技术领域，时钟的转动，程控机床的运行，要靠程序控制。在生命领域，个体从卵细胞开始的发育，昆虫的变态，要靠程序控制。在社会领域，大至国家执行五年计划，小至学校执行教学计划，个人按日程表处理事务，都是程序控制。 (3)随动控制 输入控制量u(t)一般取决于外部过程，其变化规律往往不能预先确定，无法作为程序固定在程序机构中。例如防空作战，敌机从何时何地起飞、按什么航线飞行不得而知，特别是敌机有意作机动飞行时，其飞行路线无法预先确定。为对付这种情况，火炮的控制系统必须在工作过程中随时监测敌机路线的变化，即u(t)的变化，并相应地改变输出量y(t)，控制任务是使y(t)随着u(t)的变化而变动，因而称为随动控制。鉴于控制任务是保证系统的输出或状态跟踪一个预先不知道的外来信号，又称为跟踪控制。程序控制是随动控制的特例：随程序变动而变动（或跟踪程序）。 随动控制极为普遍。火炮控制，雷达天线控制，射猎禽兽的猎枪控制，在需求量的改变无法预测的条件下对产品生产的控制，都是随动控制。当敌机作机动飞行时，导弹上的自动控制系统不断监测敌机的位置和速度，不断调整导弹的飞行路线，逐步缩小差距，直到最后击中敌机。这是最典型的随动控制。 不同的受控过程要求不同的控制思想和控制方式。实际应用中，常常将定值控制、程序控制和随动控制中的两种或三种结合起来使用。执行一项建设任务，既要有执行预定计划的程序控制，又要根据实际情况的变化而调整计划，实行随动控制。复杂工程系统的控制也常有这种情况。在生物机体中，既包含体温的定值控制，又有生物钟之类程序控制，还有呼吸的节奏和深度跟踪躯体的用力不同而变化之类随动控制。 (4) 最优控制 镇定控制、程序控制和随动控制的控制任务可以统一表述为：保证系统的受控量和预定要求相符合。三者的区别在于这种预定要求是固定的还是变化的，变化规律是预先知道的还是只能在工作过程中实时监测的。但是，许多实际过程的控制任务不能作这种表述。在这类过程中，关于受控量的预定要求不仅不能作为固定值在系统中标定出来，或者作为已知规律引入系统作为程序，甚至无法在系统运行中实时获取。这类过程的控制任务应该表述为：使系统性能达到最优。例如，在宇宙航行问题中，要求控制飞行器达到预定目标所需时间最短，或者要求消耗的能量最少;在经济系统管理中，要求对有限资源实行最优分配，或者对库存实行最优控制。这是对控制系统要求更高的一种控制。 对系统的性能要求是多方面的，不同的性能要求常常相互矛盾，不可能各种性能同时达到最优。解决任何控制问题都受到既定条件的限制，如空间的限制、时间的限制、资金的限制等。最优控制概念的完整表述是：在满足既定限制条件的前提下，寻找一种控制规律u (t)， 使得所选定的性能指标达到最佳值。最优控制代表一一种控制原理，一种控制技术，是现代控制理论和技术的重要组成部分。 15.3 控制方式给定控制任务后，要用一定的控制方式去实现。控制是一种策略性的主要活动，实现同一控制目标可以有不同的控制方式，构成不同类型的控制系统。基本的控制方式有三种。 （1）简单控制
简单控制方式的特点是，不考虑系统承受的外部干扰，也不管对象执行控制指令的效果如何，只根据控制目标的要求和关于对象在控制作用下的可能行为的认识来制定控制指令，让对象去执行。简单地说，就是只布置任务，不检查效果。（我都说了不行了,你还喔哦喔哦,也不管别人受得了受不了,再说我一~刀捅死你!） 当外部干扰可以忽略不计，对受控对象的运行规律有确切的了解(事先的或实时的)，能够制定出详尽可行的控制指令，且对象能忠实执行指令，在这种情况下简单控制策略是可行的。其优点是结构简单（不聪明），使用方便（不会反抗），经济性好（易满足）。简单环境中的简单系统都可能采取这种控制方式。程序控制原则上可以采用这种控制方式。随动控制也可以采用这种方式。官僚主义的领导必定是这种控制方式。但这并不意味着简单控制一定是不好的，当控制任务比较单纯、环境情况简单、部属素质高时，采取简单控制方式领导部属往往能收到举重若轻的效果。 (2)补偿控制 如果外部干扰对系统的影响不可忽略，或对象不能忠实地执行控制指令，简单控制方式的效果必定很差。在许多情况下，对这类对象可以采用补偿控制方式。（爱哭的孩子有糖吃） 例 2 有些工厂生产过程的控制采取下图所示的方案
这种控制方式的特点是，在依据控制目标制定控制指令的同时，实时地监测外部干扰，计算为抵消干扰可能造成的影响所需要的控制作用，并反映在控制指令中，通过控制把干扰的作用补偿掉。比较图15.4与15.5可知，简单控制加上抵消干扰的补偿措施，就是补偿控制。由于能够在干扰作用引起对象严重偏离目标之前就采取措施去抵消干扰的影响，这种方式称为补偿控制。通俗地讲，就是“ 防患于未然”。从信号传送看，干扰作用在造成明显影响之前，有关信息已被传送到决策机构去处理，未构成信息流通的闭合回路，又称为顺馈控制。（反利用干扰使其平均值偏离通过涨落去触发旧结构的失稳，探寻新结构，系统在分叉点上靠涨落实现对称破缺选择，建立新结构，以此接受系统的评价和选择，协调共存从而获得补偿分配权以及层级跃迁，我的控制就是他的解控） 补偿控制要通过设置补偿装置来实现。为实时监测并抵消干扰的影响，需要有灵敏的测量装置和有效的补偿装置，技术要求一般比较复杂。关键是掌握系统运动规律和扰动的特性，有能力获取扰动信息并补偿扰动的影响。如果只有少量干扰作用且便于监测，又拥有抵消干扰的手段，这种控制方式是可行的。工程系统中不难发现补偿控制的实例。一种流行病出现之前医院给居民打预防针，就是一种补偿控制。一项社会实践活动开始之前，首先进行思想教育（垄断解释权），针对可能出现的不利因素采取预防措施，也是补偿控制。如果干扰作用变量多、影响大，或者出现未曾料到的干扰作用，难以监测（法不责众）；或者虽然获得有关干扰的信息，但没有足以抵消其影响的补偿手段，则不宜采用补偿控制，有效的办法是采用下述反馈控制方式。 （3） 反馈控制
反馈控制方式的特点是，不去监测干扰作用，不采取事先抵消干扰影响的补偿措施，只监测受控对象的实际运行情况，把输出变量的信息（消息不是信息，事实不是真相）反向传送到输入端，与体现目标要求的控制变量进行比较，形成误差，根据误差的性质和大小决定控制指令，去改变对象的运行状况，逐步缩小并最后消除误差，达到控制目标。控制方案的着眼点是消除对象实际运行情况与预定状况之间的不一致，即消除误差。但只有存在一定的误差，控制系统才能启动和工作。这是一种以误差消除误差的控制策略，因而也称为误差控制。完全消除误差是不可能的，但要求通过控制把误差限制在许可的范围内。简单地说，反馈控制的特点是不但布置任务，而且检查执行效果，“赏罚分明”，根据对象的实际表现调整控制指令，直到达到控制目标。 在线路结构上，误差控制要求设置反馈环节，形成从输出端到输人端的信息反馈通道。从输人端到输出端的前向信息通道，加上反馈通道，构成一个闭合的信息通道。这是反馈控制的一大特点， 故常称为闭环控制。简单控制和补偿控制都没有闭合的信息通道，称为开环控制，二者的差别是有无补偿线路。开环控制优点是结构简单，缺点是控制精度低，抗干扰能力差，对系统参数的变化敏感。（主体总是需要对外做功的控制获得负熵来维持自身稳定，而希望客体通信前的不确定性越小越好）(less is more & 赏罚分明) 信息=（通信前的不确定性）—（通信后的不确定性）图 15. 6 中的控制机构也是一个系统，由各司一定控制职责的控制环节或元件按定方式耦合而成。如果把这些环节或元件表示出来，再加上反馈环节，可得到如图15.7所示的最简单的闭环控制系统框图。
图 15.2 所示室温控制器就是一种反馈控制系统。工程系统的控制大量采用反馈策略。生命机体适应环境的能力主要靠反馈控制，通过反馈控制不断缩小与环境要求的“差距”来达到适应环境。社会系统也广泛存在反馈控制，调查、信访、民意测验，都是获取反馈信息的手段；民主、法制建设都需要有充分、快速、准确的信息反馈通道。真正“举重若轻”式的领导也要通过实行赏罚分明、得当的反馈控制才能建立起来。一切系统自学习的主要机制是反馈，通过反馈修正错误，积累经验，求得进步。 复杂的控制过程常常要在图 15.7 所示主反馈通道之外再设置若干局部反馈通道，称为多重反馈，形成复杂的反馈网络结构。 镇定控制与补偿控制既可以采用开环控制策略，也可以采用闭环控制策略，视控制问题的复杂程度以及对控制精度的要求而定。随动系统一般采用闭环控制策略，随时监测误差，以误差驱动系统去消除误差，达到控制目标。反馈控制的优点是结构比较简单，控制效果好，对系统参数变化不敏感。但若控制系统设计不当，可能出现反馈过度，或反馈不足，或反馈延迟，或反馈中断，都会影响控制效果，严重时导致控制失效。 实际控制过程有时将反馈控制与补偿控制结合起来，形成复合控制，能获得更好的控制效果，但结构也更复杂。 控制学一般把系统看作确定性的， 在确定性的输入作用(原因)的激励下，系统以确定性的输出作用(结果)响应。输入一 输出观点在控制学中起着非常基本的作用，贯穿于对控制的各种定义中。输人u(t)与输出y（t）之间的激励一 响应关系 y（t）=F[u（t）] 是控制系统最基本的特性。研究控制系统，重要的是了解在一定的输入作用下系统将有怎样的输出，为得到预期的输出，应当选择怎样的输入作用。至于系统内部的具体过程(物理的、生命的或社会的等)，对经典控制学并不重要。这就是著名的黑箱原理。一个物体或系统，如果无法或者不允许打开，不能获得其内部结构和运行机制的信息，便称为黑箱。被当作黑箱的事物并非不可研究和控制。黑箱也有其外部特征和参数可供观测，通过它们可以对内部特性有所了解。输入和输出就是这种外部特征。凡是不把对象分解为组成部分，不是从研究结构及内部机制人手去了解系统，而是通过外部观察和试验，输入一定的激励作用，测记产生的输出响应，通过对输出数据、资料的分析来了解系统的行为特性，找到排除故障、实施控制的方法，都称为黑箱方法。 从输入输出观点看，控制系统是一种变换传递装置，其作用是对输入量进行变换、传递以得到输出量，激励响应特性就是这种变换传递特性。控制学描述这种特性的定量概念，叫作传递函数，是由系统的输入量和输出量经过适当数学处理(拉氏变换)建立的。令W记系统的传递函数，U、Y记经过数学处理的输入与输出，则系统的激励响应关系可表示为 Y=W·U 建立系统的传递函数，分析传递函数的特性，是经典控制理论的基本方法。但基于黑箱原理的传递函数方法着眼于输人一输出关系来描述系统，不考虑系统的内部状态，有很大局限性。对于经典理论研究的单输入单输出定常线性系统，这种方法足够有效，特别是研究系统的频率特性。也可以处理某些简单的非线性控制系统。现代控制理论主要研究时变系统、复杂非线性系统、多输入多输出系统，在考察外部特性的同时，需要全面描述系统的内部状态和特性，以及内部特性与外部特性的关系，还要处理各种随机因素。传递函数方法远不能满足这些要求，需要使用状态空间方法，即同时用状态方程(向量形式) X(t)=A(t)X(t)+B(t)U(t) 和输出方程来描述。 Y(t)=C(t)X(t)+D(t)U(t) 理论上讲，状态空间方法基于所谓白箱原理，即假定系统的内部信息可以完全掌握。介于黑箱和白箱之间的是灰箱，系统的内部信息只能部分地了解。邓聚龙的灰色控制理论就是为处理这类系统的预测和控制而建立的。
混沌随机性凡随机现象都表现出某些统计确定性，遵循统计规律，因而才可能成为科学描述的对象。混沌被当作一种随机现象，也由于它表现出一定的统计规律。上述以及其他被研究过的混沌运动都表示出某种统计确定性，需用概率统计方法描述。如作频谱分析，计算李亚普诺夫指数和分维等统计量。混沌具有类似于随机噪声的宽功率谱，不同于周期运动具有尖峰的功率谱。 10. 1 节所给混沌的数学定义也反映出这种随机性。 (10. 4) 表示从不同初值引出的两条轨道不时会相互远离，不论初始误差多么小，总会在某些时刻显著的远离。 (10. 5) 表示从不同初值引出的两条轨道不时会无限靠近。对于任意选择的两个初值，轨道时而远离，时而靠近，飘 忽不定，正是随机运动的特点。 但混沌运动的随机性与第7章讲的随机性有原则的不同，那里的随机性是通过运动方程中加入随机外作用力或随机系数或随机初始条件等三种方式表现出来的，应称为外在随机性。混沌系统的动力学方程是确定的，既没有随机外力，也没有随机系数或随机初值，随机性完全是在系统自身演化的动力学过程中由于内在非线性机制作用而自发产生出来的。混沌是确定性系统的内在随机性，一种自发随机性，或动力学随机性。这样就得到以下的非形式化定义。 插播：第七章 随机性 随机性是一种不确定性， 但并非完全的不确定性。事件出现频率稳定也是一种确定性，即统计确定性。随机不定性与统计确定性是一个问题的两个相反的方面，即从相反的方向描述同一类现象的两个科学术语。随机性是具有统计确定性的或然性，随机现象服从统计规律。 随机事件分为离散型与连续型两种。随机性是客观世界固有的基本属性，把它归结于人类知识不完全是错误的。从物理领域到生物领域，从自然界到人类社会，从物质运动到思维运动，普遍存在随机性。处理随机性的基本工具是概率统计数学。但现代科学也用概率统计数学处理由于人们知识不完全导致对事件发生与否无法作出肯定判断的不确定性，使用所谓主观概率的概念。 插播结束 定义 10.3 混沌是一种确定性随机性，即确定性系统内在产生的随机性。 发现确定性随机性不仅具有重大科学意义，而且具有重大哲学意义。确定性与随机性历来被科学和形而上学哲学视为完全对立的东西，混沌却证明两者是相通的，或者说是矛盾的统一， 确定性内在地包含随机性。自称是混沌福音传教士的物理学家福特写道：“因此虽然与通常的意见相反，但在'确定性地随机的’这一说法中绝对没有矛盾。确实，可以非常合理地建议，混沌的最一般定义应该写作：混沌意味着确定论地随机。”不论福特是否自觉，他在这里是为辩证法作辩护，提倡用辩证逻辑定义混沌这个现代科学概念，使两个对立的义项不可分割地包含在同一定义中。在科学上，发现确定性系统能内在地产生出随机不确定性，需用统计方法描述，预示着有可能把确定论和概率论两种对立的描述体系沟通起来。如果能做到这一点，必将带来科学的极大进步。
1.3 环境与开放性每个具体的系统都是从普遍联系的客观事物之网中相对地划分出的，与外部事物有千丝万缕的联系，有元素或分系统与外部的直接联系，更有系统作为整体与外部的联系。这种联系对于形成系统特有的规定性是必要而且重要的。这是系统的外部规定性。外部的变化或多或少会影响到系统，改变系统与外部事物的联系方式，往往还会改变系统内部组分的联系方式，甚至会改变组分本身，包括增加或除掉某些组分。市场变化导致企业调整结构，改变经营方式，以至人员变动，更换经理。白色恐怖导致一些人退出革命组织，或革命政党改变组织结构和活动方式。 广义地讲，一个系统之外的一切事物的总和，称为该系统的环境。语句作为系统，上下文是它的环境，称为语境。一架正在 飞行的航空器，周围的空气、山水、其他飞行器等是它的环境。社会系统的环境包括两个方面，即自然环境和社会环境(人类社会作为整体只有自然环境)。环境还具有客观普遍性，一切系统都在一定的环境中形成、 运行、演变。令U记宇宙全系统，S记我们考察的系统，只要S≠U,它的环境就不是空集。 但环境的划分有相对性。确定系统环境的根据是它的构成关系，环境是系统构成关系不再起作用的对象范围。 环境意识或环境观念是系统思想的重要内容，环境分析是系统分析不可或缺的一环。系统的完整规定性由内部规定性和外部规定性共同构成。句子的语义与其语境有关，同一句话因不同的上下文而含义不同。飞机的速度、姿态、飞行路线因环境不同而不同。一个国家的内外政策和国家行为，与自然环境有关，更与国际环境有关。新中国成立之初，帝国主义的封锁和威胁，迫使她很少参加国际活动。当代中国的国际环境则允许打开国门，广泛参与国际事务。总之，把握一个系统，必须了解它处于什么环境，环境对它有何影响，它如何回应这种影响。 环境具有系统性，常被称为环境超系统。环境分析必须运用系统观点，了解环境的组分，组分之间的关系，环境超系统的整体特性和行为。一般来说，环境中的事物的相互联系要弱于系统内部的联系，故环境还具有某种程度上的非系统性，为系统趋利避害、保护和发展自己提供了可能性。 环境既有定常性，又有变动性。有些系统的环境在很长时期内基本不变，但完全不变的环境不存在。有些系统的环境处于显著变化中，但仍有相对不变的一面。环境的定常性与变动性、确定性与不确定性，对系统的存续运行都既是有利因素，又是不利因素，趋利避害是系统在环境中生存发展的基本行为原则。 把系统与环境分开来的某种界限，叫作系统的边界。从空间结构看，边界是把系统与环境分开来的所有空间点集合。从逻辑上看，边界是系统构成关系从起作用到不起作用的界限，系统质从存在到消失的分界线。边界肯定了系统质在其内部的存在，同时就否定了系统质在其外部的存在。边界的存在是客观的，凡系统均有边界。但有些系统的边界并无明确的形态，难以辨认。有些系统的边界有模糊性，系统质从有到无是逐渐过渡的。复杂系统的边界还可能有分形特性，一系统与其他系统在边界地段相互渗透，你中有我，我中有你，无法通过有限的步骤完全区分开来。 系统与环境相互作用、相互联系是通过交换物质、能量、信息实现的。系统能够与环境进行交换的特性，叫作开放性。系统自身抵制与环境交换的特性，称为封闭性。一般来说，一个系统(特别是生命、社会、思维系统)只有对环境开放，与环境相互作用，才能生存和发展。开放得愈充分有效，自身运行发展也愈有效。开放不够，系统的生存发展将受影响，严重时将导致解体。但封闭性绝非单纯消极因素，而是系统生存发展的必要保障条件。从环境中输入的东西不免泥沙共下，苛求输入纯而又纯无异于不要开放。但并非任何开放都对系统有利，人吃山珍海味太多会坏胃口，误食有毒物会生病，甚至死亡。国家要从外部世界获取必要的物资、知识、技术、文化，同时就可能有消极腐朽的东西混进来。系统对环境的输出也是一分为二的，有的有利于系统，有的不利于系统。这就要求发挥封闭性的积极作用。在开放条件下，系统必须对输入输出加以管理，认真检验、鉴别、过滤。全盘否定封闭性，提倡“彻底开放”，拒绝对外来的东西加以过滤，这种观点在理论上违背系统原理，实践上极其有害。简言之，系统性是开放性与封闭性的对立统一 按照系统与环境的关系，可划分出开放系统与封闭系统。同环境无任何交换的是封闭系统。现实系统或多或少都有开放性，但开放程度差异极大。有些系统与外部的交换极其微弱，允许忽略不计，应看作封闭系统。封闭系统是系统开放性弱到极限时的一种理想情形。由于封闭系统便于研究，常被经典科学用来作为某类对象的理论模型。
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