noções fundamentais de sistemasnoções fundamentais de sistemas adc/dei/fctuc/sbf 2 2006-2007/1....

ADC/DEI/FCTUC/SBF2006-2007/1. Sistemas1

Capítulo 1

Noções Fundamentais deSistemas


1.2 Ambiente (do sistema), sistemas fechados e sistemas abertos

1.1 Noção de sistema

1.3 Variáveis de estado e espaço de estados

1.4 Homeostase e entropia

1.5 Auto-organização nos sistemas vivos

1.6 Adaptação e perturbações ambientais

1.7 Hierarquia de Sistemas

1.8 Sistemas dinâmicos: noção formal

1.9 Conclusão


1.2. Ambiente (do sistema), sistemas fechados e sistemas abertos

1.1 Noção de sistema





1.7. Hierarquia


1.9 Conclusão


Vaso com água Lamparina Fósforos

... separados não constituem um sistema.

Exemplo 1: sistema de aquecimento

1.1. Noção de sistema


Elementos: o vaso, a água, a lamparina.

- separados, os elementos não constituem um sistema.

- montados, constituem um sistema.

- a montagem consiste no estabelecimento de relações entre os elementos (proximidade, transmissão de calor, etc.).

- efeito de sinergia: o todo é maior do que a soma das partes.

Comportamento: aquece a água

Atributo: temperatura, ºC.

Exemplo 1


Exemplo 2: automóvel

Elementos: as suas numerosas partes.

- desmontadas: não constituem um sistema.

- montadas: constituem um sistema.

- a montagem consiste no estabelecimento de relações entre os elementos.


Comportamento: posição, velocidade, aceleração.


Elementos: as suas numerosas partes (CPU, discos, teclado, monitor, etc.).

- desmontadas: não constituem um sistema.

- montadas: constituem um sistema.

- a montagem consiste no estabelecimento de relações entre os elementos.


Comportamento: velocidade, capacidade de armazenamento, temperatura, ...

Exemplo 3: computador


Exemplos 4

Sistema de ar condicionado

Temperatura desejada

Temperatura medida

Sala

Realimentação negativa (Feedback)

Sistema de controlo, servomecanismo, regulador


Uma célula

O coração

O sistema respiratório

O sistema nervoso

Exemplo 5. Sistemas fisiológicos


Uma empresa

... níveis de complexidade crescente.

Uma cidade

Um país

... ... ...

Exemplo 6. Sistemas económico- sociais


Sistema: definição formal

Um conjunto de elementos (componentes) relacionados e interagindo entre si, num todo organizado, de modo a desempenharem alguma função.

ElementoCada um dos seus constituintes principais.Fenómeno da vida natural ou social, que tem certos atributos que podem variar ao longo do tempo em consequência do seu próprio comportamento.

Um atributo de um elemento é uma propriedade característica do elemento (cor, tamanho, peso, etc.).


Não é sistema Não é sistema

É um sistema

(De Flood and Carson)


E1 E2

Existe uma relação entre os elementos E1 e E2 (de um

sistema) se o comportamento de E1 é influenciado ou

controlado pelo de E2 e se o comportamento de E2 é

influenciado ou controlado pelo de E1

Relação


Um atributo de uma relação é uma qualidade característica da relação (intensidade, velocidade de comunicação, etc.).

No estudo de sistemas dinâmicos a evolução dos atributos assume um aspecto fundamental, dado que é essa mudança que exprime a dinâmica.

Sistemas dinâmicos

Um atributo de um elemento é uma propriedade característica do elemento (cor, tamanho, peso, etc.).


Uma relação materializa-se através de

fluxos de materiais (massas), informação ou de energia entre os elementos.

Conceito de comunicação pode ser usado equivalentemente ao de relação.

Massa

Energia

Informação

Os três pilares da ciência moderna


Entrada / saída

Usua-se geralmente a representação em diagrama de blocos:

Sistema

Entrada Saída


Retroacção ou realimentação (feedback): existe quando a influência de um elemento inicial se repercute noutros elementos e através de uma série de relações o efeito dessa influência inicial acaba por se repercutir sobre o elemento inicial.

Realimentação

Temperatura desejada Temperatura

medidaSala

Ar condicionado: realimentaçãonegativa (Feedback)


Um aumento da vegetação produz um aumento explosivo da população de um pequeno herbívoro ,

o que possibilita que a população de um carnívoro, que come o herbívoro, aumente também,

e em consequência a população do herbívoro diminui.

….

O aumento da população de herbívoros retroagiu negativamente sobre si própria através das suas relações com a população dos carnívoros.

Exemplo: a dinâmica de um par predador-presa:

Realimentação


Informação apenas da saída

Informação sobre os elementos: variáveis de estado

Tipos de Realimentação

Realimentação

SistemaEntrada Saída

SistemaEntrada Saída


1.2 Ambiente (do sistema), Sistemas fechados e sistemas abertos

1.1. Noção de sistemaSistemaEntradas SaídasRealimentaçãoEstados





1.7. Hierarquia


1.9 Conclusão


1.2. Ambiente (do sistema), sistemas fechados e sistemas abertos

Ambiente,Com o qual o sistema partilha apenas relações de entrada/saída.

FronteiraA demarcação entre o sistema e o seu ambiente.

(De Flood and Carson)


Troca materiais, informação e/ou energia com o ambiente através de uma fronteira (como a identificar?)

Não existe nenhuma relação entre os elementos do sistema e elementos exteriores ao sistema

Sistema aberto

Sistema fechado


1.2 Ambiente do sistemasistemas fechadossistemas abertos






1.7. Hierarquia


1.9 Conclusão


1

2

.

.

n

x

x

x

x

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥=⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

Os atributos elementares relevantes de um sistema compõe os vector de estado x


O estado constitui a síntese da história do sistema: ele resulta da toda a sua evolução anterior

Na representação entrada/saída não existe acesso às váriáveis internas (elementos) do sistema

Sistema

Entrada Saída


Um sistema é determinístico se os valores futuros das suas variáveis de estado podem ser univocamente determinados

Caso contrário o sistema é indeterminado ou aleatório.

Quando o estado muda, os seus sucessivos valores descrevem uma trajectória no espaço de estadosmultidimensional.

Trajectória de estado


Determínistico / estocástico, probabilisticos, aleatório

Linear / não linear

Contínuo / discreto

Simples / complexo

Estático / dinâmico

Black-box / White-boxGrey-box

Tipos de Sistemas




1.3 Espaço de estadosVariáveis de estadoTipos de sistemas

1.4 Homeostase e Entropia



1.7. Hierarquia


1.9 Conclusão



{ homeos = semelhante + statis = situação }

Cada parte do organismo funciona normalmente num estado de equilíbrio.

"Todos os mecanismos vitais têm por objetivo conservar constantes as condições de vida no ambiente interno."

O equilíbrio dinâmico entre o sistema e o seu ambiente, com fluxos que entram (influxos) e fluxos que saem (efluxos).


A constância de um elevado número de variáveis físico-químicas do corpo é mantida por mecanismos de homeostase.

Ex. regulação térmica nos animais de sangue quente:quando o sangue arrefece o cérebro “liga” algum mecanismo de

produção de calor no corpo, e a temperatura do corpo émonitorizada por retroacção pelo cérebro de modo a que a temperatura do corpo se mantenha constante.

A homeostase (ou homeostasia) actua para manter uma certa ordem dentro do sistema, através de mecanismos de retroacção comparáveis aos servomecanismos na mecânica e na tecnologia.

Homeostase


Entropia

Exprime a tendência para a evolução para um estado de desordem ou desorganização.

A entropia é um processo que carrega consigo a lei “irreversível” da degradação da energia e da matéria.

Em termos matemáticos/físicos a Entropia exprime o grau de ordem interna.


Entropia

Definição segundo Shannon (teoria de informação)

2

1

( ) ( ) log ( )N

i

H x p i p i=

= −∑

Quanto maior for a “organização”, menor a entropia

A entropia é tanto maior quanto maior for a probabilidade de ocorrência de um determinado valor.

Mede a quantidade de informação (novidade)P=0 informação (novidade) máximaP=1 não existe informação (novidade)


Entropia

Usando a base 2 a entropia representa o número de bits de informação necessário para enviar um sinal.

2

1

( ) ( ) log ( )N

i

H x p i p i=

= −∑Exemplo: Para uma moeda

H = -1/2*log2(1/2) -1/2*log2(1/2) = 1 bit

Exemplo: Se existirem 4 estados de um sinal com probabilidades iguais

H = -4*(1/4*log2(1/4)) = -4*(1/4*(-2)) = 2 bits


Entropia

Se a entropia significa a tendência à perda e àdesorganização,

o reverso da entropia é a entropia negativa ou negentropia.

A negentropia é o suprimento da informação adicional capaz, não apenas de repor as perdas das mesmas, mas também, de proporcionar a integração e a organização no sistema.





1.4 Homeostase e entropiaOrganizaçãoDesorganização



1.7. Hierarquia


1.9 Conclusão


Entropia Homeostase

“Trabalha” para a desordem

“Trabalha” para a ordem

Os seres humanos vivem através de um processocontínuo de desintegração (entropia) e dereconstituição dentro do ambiente (homeostase).

Um sistema aberto, como um sistema vivo, tem que importar energia, informação e materiais para compensar a tendência para uma maior desorganização.

Um sistema aberto importa entropia negativa (negaentropia, negentropy).



Sistemas vivos

dS = deS+diS

deSdeS ≤ 0, negaentropia importada

diS ≥ 0, degradação interna

deS+diS ≤ 0

dS ≤ 0

Sistemas saudáveis:

|deS | ≥ | diS|

Aumenta a ordem e a organização !!!

Usando materiais e energia importados (actividades negaentrópicas ou homeostáticas)








1.7. Hierarquia


1.9 Conclusão


Perturbações (ambientais)

São mudanças no ambiente que podem fazer evoluir o sistema para um estado de desequilíbrio;

podem ter um impacto grave no funcionamento do sistema



Desenvolve-se para lidar com as mudanças ambientais e é necessária para a sobrevivência do sistema em tais circunstâncias.

É um tipo de comportamento que visa um objectivo

O Darwinismo é uma teoria da adaptação.

Se o ambiente é constante, a adaptação não éuma capacidade crítica.

Adaptação


Regulação, controlo e cibernética

Comportamento adaptativo a curto prazo

Para lidar com impacto agudo no sistema, este deve aplicar rapidamente regulação e controlo para reganhar equilíbrio

Comportamento adaptativo a longo prazo

Se as mudanças são crónicas, é necessário para manter a integridade do sistema

Regulação/Controlo


Norbert Wiener: Cibernética: Ciência do controlo e comunicação nos animais e nas máquinas. Descreva as leis naturais que governam a comunicação e o controlo em situações dinâmicas.

Conceito de sistemaEntradas, saídas, …Realimentação

Regulação, controlo e cibernética

Cibernética


Para atingir objectivos estabelecidos através de parâmetros de controlo (quer feitos pelo homem, quer naturais)

Se um sistema se afasta do seu regime estacionário, ou se executa uma acção de controlo, ou gera-se retroacção natural para reverter a situação.

No caso do par predador - presa

Retroacção negativa

População de herbívoros

A população de carnívoros

aumenta

aumenta

diminui


A retroacção existe no corpo humano em muitas situações, de complexidade variável.

Regulação do açúcar no sangue


Também existe.

Pode ser desejável mas pode levar a mudanças estruturais e até ao colapso do sistema.

Retroacção positiva







1.6 Adaptação e perturbações ambientaisControloRealimentação

1.7. Hierarquia de sistemas


1.9 Conclusão


1.7. Hierarquia de Sistemas

Metasistema (ou supersistema)

Um sistema que se coloca por “cima de outro”, numa hierarquia de funções de monitorização e controlo

No humano, o cérebro (com consciência) é um metasistema

Organização hierárquica: representação lógica dos fenómenos como sistemas e subsistemas


Aumenta o nível de resolução de análise, vendo os sistemas em maior detalhe

Reducionismo sistémico

O que define o nível apropriado de resolução é o problema que está em análise, aquilo em que nos devemos focalizar (system-in-focus)

Holísticoreductionist

Reducionista


(o “hino” dos sistemas desde há muitos anos)

As organizações hierárquicas ascendentes (cada vez mais complexas) revelam um fenómeno importante

Significa que os sistemas têm propriedades emergentes

Emergência

o todo é maior do que a soma das partes

Emergência: o processo de formação de modelos complexos a partir de regras simples

Diferentes estruturas apresentam diferentes emergências


Capacidade de os sistemas se auto-produziremUma célula produz os seus próprios componentes que por sua vez a produzem a ela própria.

Sinergia

Autopoiesis

Palavra que exprime a emergência de propriedades inesperadas e interessantes

Os sistemas vivos podem ser considerados autopoiéticos na medida em que eles se organizam para que os seus processos possam produzir componentes necessários para a continuação desses próprios processos.


Nível Descrição e exemplos

Sistemas simbólicos Linguagem, lógica, matemática, ciência, morais, etc.

Sistemas sócio-culturais

Populações de organismos (incluindo humanos); comunidades humanas determinadas por símbolos (culturas).

O Homem Simbolismo; passado e futuro, o “eu” e o mundo; auto-consciência resultando como consequência a comunicação pela linguagem.

Animais Aumento da importância do tráfego de da informação (evolução dos receptores, sistemas nervosos, etc.) aprendizagem; início da consciência.

Organismos inferiores Organismos do tipo planta: aumento da diferenciação nos sistemas (“divisão do trabalho” nos organismos); distinção da reprodução das funcionalidades individuais.

Sistemas abertos Chama, células, tecidos, órgãos e organismos em geral

Mecanismos de controlo

Termostato, servo-mecanismos, mecanismos homeostáticos1 em organismos vivos

Uma hierarquia de sistemas

1 homeostasia: processo de regulação pelo qual um organismo mantém o seu equilíbrio








1.7. HierarquiaReducionismoEmergência e sinergia


1.9 Conclusão


A entrada/actuação: o que se pode variar/manipular

A saída: o que se que medir/controlar

Fronteira com o meio ambiente

Entrada, u Saída, ySistema

Combustível Temperatura da água

… quando o seu comportamento faz com que assuas características variem com o tempo.

6.2 Sistema dinâmicos1.8 Sistemas dinâmicos: noção formal


Sistemas estáticos/dinâmicos

Será que o comportamento num instante de um sistema dinâmico depende apenas da acção que se exerce sobre ele nesse instante ?

Isto é,

Aplicando sempre a mesma entrada, obtém-se sempre a mesma saída ?

E não depende do histórico passado ou do instante concreto em que se aplica a entrada ?


Situação A Situação B

Temp.inicial: 30 C (T0)Temp.inicial:

5 C (T0)

A mesma entrada

T T

k

T

(C)

3 4 5210

20

0

40

mink

T

(C)

3 4 5210

20

0

40

min

Diferentes saídas


A que se deve a diferença no comportamento ?

... às condições iniciais !!!

O estado inicial reflecte tudo o que aconteceu antes de se iniciar a contagem do tempo.

Como se chegou a T0 ? Isto é, o que determina a temperatura em T0 ?

•Através de aquecimentos e arrefecimentos desde t=-∞ até t=0

•O sistema tem memória: lembra-se, através da condição inicial, do que aconteceu no passado

•A evolução futura depende do passado (através da condição inicial) e da entrada futura.


Entrada, ut Saída, ytSistema

0 2 1 0( ,..., , , )y f u u u u−∞ − −=Muito raramente

Se yo depende de u0

► sistema saltitante: quantidade infinita de informação necessária para calcular y0 ...


Quantidade de informação passada ?

kk-1k-2k-3k-4k-5...

uk-m ... uk-2 uk-1

yk-n ... ... yk-2 yk-1 yk

tempo

Passado Presente Futuro

A saída presente yk é influenciada por mentradas anteriores e n saídas anteriores.

k+1 ...

Qual é a memória do sistema ?

Memória


A saída yk é influenciada por m entradas anteriores e n saídas anteriores

1 2 1 2( , , , , , , ..., )k k k k k m k k k ny f u u u u y y y− − − − − −=

Hipótese simplificadora: f é uma função linear

... equação linear de diferenças

0 1 2

1 2

( ) ( ) ( 1) ( 2) ( )

( 1) ( 2),..., ( )m

n

y k b u k b u k b u k b u k m

a y k a y k a y k n

= + − + − + −

− − − − − −

(notação equivalente)

0 1 1 2 2

1 1 2 2 ,...,k k k k m k m

k k n k n

y b u b u b u b u

a y a y a y− − −

− − −

= + + +

− − −

Usualmente bo=0


Tempo discreto versus tempo contínuo

1 2 1 2( , , , , , ,..., )k k k k k m k k k ny f u u u u y y y− − − − − −=

Como exprimir a memória em tempo contínuo ?


A discretização de equações diferenciais, a fim de se obterem equações de diferenças, pode ser feita usando a aproximação da derivada pelas diferenças para a frente:

( ) (( 1) ) ( )dy kT y k T y kTy

dt T

• + −= =

T – intervalo de amostragem

Trata-se de uma aproximação, que por ser simples, nem sempre é suficientemente rigorosa.

Há outras técnicas mais elaboradas, que se baseiam noutras aproximações mais rigorosas das derivadas.

Sistemas continuos/discretos


Exemplo

t=kT

10 2 3 4 5 6k...

T T T T T T ...

A discretização do eixo temporal

t kT=

( ) ( ) ( 1)y k u k y k= + − Equação de diferenças

( ) ( 1)( ) ( 1) ( ) ( )

1

y k y ky k y k u k u k

− −− − = ⇒ =

( ) ( 1)Se 1 ( )

y k y kT u k

T

− −= ⇒ =


( 1)

( ) ( 1) ( )( ) [( 1) ]

t k T

y k y k dy tu k u k T

T dt = −

− −= ⇒ = −

Aproximação da derivada pela diferença de 1ª ordem para a frente:

A derivada desempenha no caso de tempo contínuo um efeito de memória que a diferença desempenha no caso discreto.


Exemplo: Veículo espacial

Força

u

y

força = massa x aceleração

2

2

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

dv t d dy t d y tu t ma t m m m

dt dt dt dt

u t ma t m y t••

= = = =

= =

Lei de Newton:

(Sem atrito, simplificando)



( ) ( ) ( )u t ma t m y t••

= =

2

2

2

( ) (( 1) ) ( )

( ) (( 1) ) ( )

(( 2) ) (( 1)) (( 1) ) ( )

(( 2) ) 2 (( 1) ( )

dy kT y k T y kTy

dt T

d y kT y k T y kTy

dt Ty k T y k T y k T y kT

T TT

y k T y k T y kT

T

•

• •••

+ −= =

+ −= = =

+ − + + −−

= =

+ − + +=

Aproximação da derivada pela diferença de 1ª ordem para a frente:


2

2

2

2

(( 2) ) 2 (( 1) ( ) ( )

(( 2) ) 2 (( 1) ( ) ( )

( 2) ( ) 2 ( 1) ( ))

ou

( ) ( 2) 2 ( 1) ( 2))

y k T y k T y kT u kT

T m

Ty k T y k T y kT u kT

m

Ty k u k y k y k

m

Ty k u k y k y k

m

+ − + +=

+ − + + =

+ = + + −

= − + − − −

( )( )

u ty t

m

••

=( ) ( )m y t u t••

=


Discreto

Contínuo








1.7. Hierarquia


Definição em função de informação passada

Sistemas discretos / contínuos

Memória

1.9 Conclusão


1.9 Conclusão

Sistemas caracterizadosEntradas, Saídas, EstadosRealimentaçãoReducionismo

Os sistemas têm em geral memória, que influencia a sua dinâmica (capacidade de evoluir).

A memória pode-se exprimir por diferenças temporais (tempo discreto) ou por derivadas (tempo contínuo).

A noção de sistema permite exprimir, usando o mesmo formalismo, muito fenómenos de natureza e complexidade diversas.


Próxima aula: Como obter modelos dinâmicos de sistemas

Equações de diferenças

Equacões diferenciais

Equivalência entre sistemas

Capítulo 2. Modelização de sistemas


Bibliografia

Flood, R. and E.R. Carson, Dealing with Complexity, An Introduction to the Theory and Applications of Systems Science, Plenum Press, 1993

Bertalanffy, L., General Systems Theory, George Brazillier, NY, 1969

Boyd, D.W. Systems Analysis and Modelling, A Macro-to-Micro Approach with Multidisciplinary Applications, Academic Press, 2001.

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/1977/prigogine-autobio.html#10 http://www.fortunecity.com/emachines/e11/86/entropy.html

http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Clausius.html

noções fundamentais de sistemasnoções fundamentais de sistemas adc/dei/fctuc/sbf 2 2006-2007/1....

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