大系統(tǒng)理論是指大系統(tǒng)分析、設(shè)計、自動控制和實整體最優(yōu)的理論。大系統(tǒng)理論是現(xiàn)代控制理論的一個重要研領(lǐng)域，主要研究內(nèi)容包括大系統(tǒng)的建模、模型降階、遞階制、分散控制、穩(wěn)定性、自動尋優(yōu)等。其研究對象是工程術(shù)、社會經(jīng)濟、生物生態(tài)、軍事系統(tǒng)等領(lǐng)域中規(guī)模龐大、結(jié)復雜(環(huán)節(jié)較多、層次較多或關(guān)系復雜)、目標多樣、功能合、因素眾多，且含有隨機性的大系統(tǒng)。

早期的控制論和運籌學主要處理中小型非復雜系理論和應用的發(fā)展，復雜的大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)成為系統(tǒng)主要關(guān)心的對象，大系統(tǒng)理論就被提出來了。

由于科技和生產(chǎn)實踐活動的規(guī)模只益龐大，科技度日益增加，所涉及的范圍亦越來越廣。在20世紀人們在研究實際系統(tǒng)時不斷發(fā)現(xiàn)新問題、帶進新思想觀點、創(chuàng)造了新方法，在現(xiàn)代控制理論、運籌規(guī)劃理技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了跨學科的大系統(tǒng)理論。如1959年我國的秦元勛教授在研究飛機自動駕駛儀設(shè)計時，從工程技術(shù)處理方法提出了大系統(tǒng)穩(wěn)定性分解的概念，劉永清教授把這種概念應用在三門峽水電站閘門提升的電力拖動非線性控制系統(tǒng)中，用標量和李亞曾諾夫函數(shù)分解法，成功地分析了這個大系統(tǒng)的穩(wěn)定性。有趣的是，現(xiàn)代控制理論的應用導致了一個兩級的分散控制結(jié)構(gòu)，從實際數(shù)據(jù)到實際控制的映射通常是在兩級上完成的，其中一個稱為戰(zhàn)略(經(jīng)濟)級，另一個稱為戰(zhàn)術(shù)(穩(wěn)定)級。戰(zhàn)略級的功能是產(chǎn)生理想的系統(tǒng)響應，常使用一個欲優(yōu)化的目標函數(shù)，進行離線計算；戰(zhàn)術(shù)級可用多變量戰(zhàn)術(shù)反饋控制器設(shè)計。

科技界經(jīng)過二十多年的努力探討和實踐，目前大系統(tǒng)理論雖不能說成熟完善，但可說已發(fā)展到本質(zhì)水平，其實際應用也取得了可喜的進展，這方面的論文和專著很多。如法國國家科學研究中心的鐵特里教授領(lǐng)導、著名學者塔穆勒教授和辛格博士等參加的遞階最優(yōu)化研究小組，把大系統(tǒng)遞階最優(yōu)化理論用于建造煉鋅工廠和硫磺工廠的遞階控制、太陽能電站的遞階控制、石化復雜過程精煉工段的遞階控制、長途電訊網(wǎng)絡(luò)管理、英國劍河河水污染控制、熱軋鋼廠粗軋過程鋼帶出口溫度和厚度的控制等問題，都取得了明顯的效益。再如羅馬尼亞的學者應用大系統(tǒng)理論建立了經(jīng)濟數(shù)學模型：宏觀經(jīng)濟方面有靜態(tài)和動態(tài)投入—產(chǎn)出表、技術(shù)進步的定量模型、部一級投資最優(yōu)化模型；微觀經(jīng)濟方面研究企業(yè)之間和企業(yè)內(nèi)部的工段、車間和工種之間的最佳分配、生產(chǎn)配合、庫存最優(yōu)等，這些研究對羅馬尼亞的國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了很好的指導作用。

鐵特里為代表的學派側(cè)重于實際系統(tǒng)模型的研究；以M．D．Mesarovic為代表的美國Case西部儲備大學系統(tǒng)研究中心的學派是以集論為基礎(chǔ)建立復雜決策，制定系統(tǒng)的數(shù)學原理和目標；波蘭科學院以R．K．Kulikows Ki為代表的學派是利用管理學、運籌學和數(shù)學規(guī)劃等領(lǐng)域的概念，應用泛函分析理論為工具來研究多級分解的方法。國外還有一些有成就的學派不再列舉了。

總之，大系統(tǒng)理論目前仍在發(fā)展，其應用于實際系統(tǒng)也取得了明顯的效果。我國以秦元勛教授為首在大系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，雖然在20世紀60年代初期做了一些開創(chuàng)性的工作，但在“文革”中中斷了該課題的研究，直至20世紀70年代末期才又開始活躍起來，從理論到應用正在奮起直追，出了不少論文和專著。在應用上如浙大的呂勇哉在首鋼搞的鋼鐵遞階控制很成功，提高產(chǎn)量30％。

將大系統(tǒng)理論用于解決軍事系統(tǒng)方面的問題，其中發(fā)展比較迅速，比較突出的是軍用航空航天、火力控制與指揮、指自動化系統(tǒng)等領(lǐng)域。隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，原來的大系統(tǒng)也漸成為中小系統(tǒng)，變成了新的大系統(tǒng)的一個分系統(tǒng)。從而，大系統(tǒng)理論在軍事領(lǐng)域的應用產(chǎn)生了更高的要求和更新的戰(zhàn)。如，對于區(qū)域化、大區(qū)域化作戰(zhàn)問題中的指揮、控制、信等方面的研究，都是近年來的軍事大系統(tǒng)領(lǐng)域出現(xiàn)的新題，亟待應用大系統(tǒng)理論對其進行合理的分析和解決。

大系統(tǒng)理論的基本內(nèi)容可以概括為兩個方面：

(1)大系統(tǒng)分析。所謂“分析”，是對已有的大系統(tǒng)或設(shè)計方案進行定性的和定量的、靜態(tài)的和動態(tài)的理論分析或試驗研究。其中包括：對系統(tǒng)的環(huán)境條件、外部影響因素的分析，對系統(tǒng)現(xiàn)有的運行狀態(tài)和性能的估算，對系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢和動態(tài)進行預測等，以便對系統(tǒng)的技術(shù)性能、經(jīng)濟指標、社會效果、生態(tài)影響等各方面作出正確評價，為改善現(xiàn)有系統(tǒng)的運行效能、改進系統(tǒng)組織與管理、選取系統(tǒng)設(shè)計方案，提供系統(tǒng)分析的科學依據(jù)。

(2)大系統(tǒng)綜合。所謂“綜合”，是對尚待籌建或改建的大系統(tǒng)進行規(guī)劃決策與方案設(shè)計，制訂協(xié)調(diào)計劃與組織管理制度，進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合與參數(shù)綜合，解決大系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計、最優(yōu)控制、最優(yōu)管理問題，以求所籌建的或擴建的大系統(tǒng)運行經(jīng)濟合理、技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠、協(xié)調(diào)有序，收到優(yōu)化的經(jīng)濟效益和社會效益。大系統(tǒng)的“分析”與“綜合”是相輔相成的：系統(tǒng)分析為系統(tǒng)綜合提供依據(jù)，系統(tǒng)綜合又為系統(tǒng)分析提出問題。

大系統(tǒng)理論中有代表性的是“分解協(xié)調(diào)”方法。也就是把復雜大問題化為簡單小問題。

為了研究不同領(lǐng)域(工程技術(shù)、社會經(jīng)濟、生物生態(tài))的各種大系統(tǒng)，需要抽象出它們的共性。因此，大系統(tǒng)理論主要研究各種大系統(tǒng)的控制與信息過程的共同規(guī)律與方法。例如，大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案問題。大系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)方案有：集中控制、分散控制、遞階控制。遞階控制是集中控制與分散控制相結(jié)合的產(chǎn)物，是各種大系統(tǒng)普遍采用的結(jié)構(gòu)方案。在工程技術(shù)領(lǐng)域，遞階控制是工業(yè)生產(chǎn)過程綜合自動化系統(tǒng)的多級計算機控制與管理的典型方案。在社會經(jīng)濟領(lǐng)域，如國家行政管理系統(tǒng)、軍隊組織體系、經(jīng)營管理系統(tǒng)等，都采取遞階控制結(jié)構(gòu)方案。在生物生態(tài)領(lǐng)域，如人與脊椎動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，也具有多級遞階控制結(jié)構(gòu)。同時，值得注意的是，隨著科學技術(shù)發(fā)展，生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)由集中控制發(fā)展為遞階控制；隨著生物進化，生物控制系統(tǒng)也由單神經(jīng)節(jié)發(fā)展為多級神經(jīng)系統(tǒng)。這種發(fā)展進化過程的相似性，不同領(lǐng)域中各種大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相似性，也正是大系統(tǒng)共性的體現(xiàn)。

目前的大系統(tǒng)理論主要是控制理論與運籌學相結(jié)合的產(chǎn)物，是以數(shù)學模型為基礎(chǔ)的。作為綜合自動化系統(tǒng)的理論和動態(tài)系統(tǒng)工程的方法，是系統(tǒng)科學發(fā)展的前沿。由于大系統(tǒng)的復雜性及數(shù)學模型方法的局限性，大系統(tǒng)理論需要進一步發(fā)展與創(chuàng)新。

實際上，現(xiàn)代管理所面臨的對象大多屬于大系統(tǒng)。它們不僅規(guī)模大、因素多、相互聯(lián)系復雜，而且目標多樣，功能綜合，尤其是“管理人”、自動化機器以及加速變化的環(huán)境因素等，交叉作用，綜合效應，使管理系統(tǒng)的最優(yōu)控制更加復雜和困難。這就要求正確運用大系統(tǒng)論和方法來研究、處理現(xiàn)代管理問題，以實現(xiàn)最優(yōu)化的或滿意的整體控制目標。

1．管理大系統(tǒng)分析

它是指對已有的大系統(tǒng)及其設(shè)計方案，進行定性和定量的理論分析和實際研究。包括對管理大系統(tǒng)的環(huán)境條件以及內(nèi)部各子系統(tǒng)之間的物質(zhì)、能量和信息聯(lián)系的分析；對大系統(tǒng)現(xiàn)有運行狀況的估計和對其未來發(fā)展趨勢的預測；等等。以便對其技術(shù)性能、經(jīng)濟指標、社會效果，生態(tài)影響等作出評價，尋找改進現(xiàn)有性能和運行效率的途徑，為選擇最優(yōu)決策和控制方案等，提供理論方法和實驗依據(jù)。

2．管理大系統(tǒng)綜合

這是指對將要籌建或改建的管理大系統(tǒng)，進行規(guī)劃決策，總體設(shè)計，對籌建過程和實際運動實施計劃協(xié)調(diào)、組織管理，從而解決管理大系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計、控制和管理等問題。這里需要指出的是，整合原則在管理大系統(tǒng)綜合中具有重要作用，是實現(xiàn)管理大系統(tǒng)綜合的有效手段和途徑。

3．管理大系統(tǒng)的分解和協(xié)調(diào)

在絕大多數(shù)管理大系統(tǒng)研究和設(shè)計中，傳統(tǒng)的演繹法和歸納法往往是不夠用的。它首先就不能回答管理大系統(tǒng)最優(yōu)的目標是什么。即使有可能知道其整體最優(yōu)目標，也難以找到如何建構(gòu)能夠確保實現(xiàn)最優(yōu)目標的管理大系統(tǒng)。但是，如果我們按如下思路來考查：當管理大系統(tǒng)整體沒有可能成為最優(yōu)化對象的時候，首先考慮將多變量的復雜系統(tǒng)按一定方式和原則進行“系統(tǒng)分割”，將管理大系統(tǒng)(S)分割為幾個子系統(tǒng)(S₁，S₂，S₃……S_n)。然后分別解決各子系統(tǒng)的分析和綜合，并求局部最優(yōu)化。最后根據(jù)管理大系統(tǒng)的總目標或總?cè)蝿?wù)，對各子系統(tǒng)進行強有力的協(xié)調(diào)和控制，努力尋求各子系統(tǒng)之間的最優(yōu)協(xié)調(diào)配合，以達到管理大系統(tǒng)整體目標的近似最優(yōu)。這就是管理大系統(tǒng)的“分解——協(xié)調(diào)”理論和方法的基本內(nèi)容。如，某計劃部門編制年度生產(chǎn)計劃。一般是先由其所屬各部門編出各自的局部最優(yōu)計劃(分解)，然后由計劃部門匯總并予以適當調(diào)整，在修改各部門計劃的基礎(chǔ)上，達到該計劃部門的整體計劃最優(yōu)和近似最優(yōu)(綜合)。這些步驟一般要求運用“窮舉法”或單純形法，反復比較，組合與計算，直到充分滿意為止。需要指出的是，當某個管理大系統(tǒng)的某一特點比較突出且與總目標直接相關(guān)，而其他特點可以忽略不計，就可運用一般控制和最優(yōu)化的有關(guān)理論和方法實現(xiàn)最優(yōu)控制，達到最優(yōu)目標。

管理大系統(tǒng)的分解可分為目標分解和模型分解兩種。目標分解是把管理大系統(tǒng)的總?cè)蝿?wù)或總目標分解為各子系統(tǒng)的子任務(wù)或子目標。例如，企業(yè)可將總的生產(chǎn)任務(wù)和技術(shù)經(jīng)濟指標分配到各車間。通常，管理大系統(tǒng)的目標是可分解的，且其總目標函數(shù)可視為各子系統(tǒng)目標函數(shù)的代數(shù)和。但是，各子系統(tǒng)的相互影響也不容忽視，這種影響就形成了管理大系統(tǒng)數(shù)學模型中的相互關(guān)聯(lián)，它對總目標的實現(xiàn)影響極大。因此，關(guān)鍵在于模型分解。即把高階、高維的管理大系統(tǒng)數(shù)學模型分解為低階、低維的子系統(tǒng)數(shù)學模型，網(wǎng)絡(luò)模型或物理模型，以便于計算、求解并優(yōu)化。管理大系統(tǒng)的模型分解，實質(zhì)上就是通過數(shù)學的。網(wǎng)絡(luò)的或物理的方式建模。這就既能突出管理大系統(tǒng)的主要性能，又能克服復雜大系統(tǒng)的“維數(shù)災”，使問題得到簡化。就管理系統(tǒng)的數(shù)學模型分解而言，目前已有多種方法能夠?qū)崿F(xiàn)其模型簡化。如，集結(jié)法就適用于線性管理大系統(tǒng)，它能將變量很多的管理大系統(tǒng)模型集結(jié)(集中、簡化)為變量較少的集結(jié)模型，并保證其主要動態(tài)性能不變；攝動法則能夠?qū)⒃芾泶笙到y(tǒng)高階方程中所含的小參數(shù)(即對該管理大系統(tǒng)只起次要的、微擾作用的，在某些情況下可不予考慮的參變量)的攝動項(或稱微干擾項)設(shè)法予以略去，即關(guān)聯(lián)平衡原則和關(guān)聯(lián)預估原則。其實質(zhì)是根據(jù)各子系統(tǒng)偏差的反饋信息，整合協(xié)調(diào)變量，從而實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。在各子系統(tǒng)局部最優(yōu)化基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)的協(xié)調(diào)變量，以滿足“關(guān)聯(lián)平衡條件”和“關(guān)聯(lián)預估條件”，從而實現(xiàn)管理大系統(tǒng)整體目標最優(yōu)化。