大系統(tǒng)理論是指大系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制和實(shí)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(gè)重要研領(lǐng)域，主要研究?jī)?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(dòng)尋優(yōu)等。其研究對(duì)象是工程術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生物生態(tài)、軍事系統(tǒng)等領(lǐng)域中規(guī)模龐大、結(jié)復(fù)雜(環(huán)節(jié)較多、層次較多或關(guān)系復(fù)雜)、目標(biāo)多樣、功能合、因素眾多，且含有隨機(jī)性的大系統(tǒng)。

早期的控制論和運(yùn)籌學(xué)主要處理中小型非復(fù)雜系理論和應(yīng)用的發(fā)展，復(fù)雜的大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)成為系統(tǒng)主要關(guān)心的對(duì)象，大系統(tǒng)理論就被提出來(lái)了。

由于科技和生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)的規(guī)模只益龐大，科技度日益增加，所涉及的范圍亦越來(lái)越廣。在20世紀(jì)人們?cè)谘芯繉?shí)際系統(tǒng)時(shí)不斷發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題、帶進(jìn)新思想觀點(diǎn)、創(chuàng)造了新方法，在現(xiàn)代控制理論、運(yùn)籌規(guī)劃理技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了跨學(xué)科的大系統(tǒng)理論。如1959年我國(guó)的秦元?jiǎng)捉淌谠谘芯匡w機(jī)自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)時(shí)，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(yīng)用在三門(mén)峽水電站閘門(mén)提升的電力拖動(dòng)非線性控制系統(tǒng)中，用標(biāo)量和李亞曾諾夫函數(shù)分解法，成功地分析了這個(gè)大系統(tǒng)的穩(wěn)定性。有趣的是，現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用導(dǎo)致了一個(gè)兩級(jí)的分散控制結(jié)構(gòu)，從實(shí)際數(shù)據(jù)到實(shí)際控制的映射通常是在兩級(jí)上完成的，其中一個(gè)稱為戰(zhàn)略(經(jīng)濟(jì))級(jí)，另一個(gè)稱為戰(zhàn)術(shù)(穩(wěn)定)級(jí)。戰(zhàn)略級(jí)的功能是產(chǎn)生理想的系統(tǒng)響應(yīng)，常使用一個(gè)欲優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行離線計(jì)算；戰(zhàn)術(shù)級(jí)可用多變量戰(zhàn)術(shù)反饋控制器設(shè)計(jì)。

科技界經(jīng)過(guò)二十多年的努力探討和實(shí)踐，目前大系統(tǒng)理論雖不能說(shuō)成熟完善，但可說(shuō)已發(fā)展到本質(zhì)水平，其實(shí)際應(yīng)用也取得了可喜的進(jìn)展，這方面的論文和專著很多。如法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的鐵特里教授領(lǐng)導(dǎo)、著名學(xué)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(yáng)能電站的遞階控制、石化復(fù)雜過(guò)程精煉工段的遞階控制、長(zhǎng)途電訊網(wǎng)絡(luò)管理、英國(guó)劍河河水污染控制、熱軋鋼廠粗軋過(guò)程鋼帶出口溫度和厚度的控制等問(wèn)題，都取得了明顯的效益。再如羅馬尼亞的學(xué)者應(yīng)用大系統(tǒng)理論建立了經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)模型：宏觀經(jīng)濟(jì)方面有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)投入—產(chǎn)出表、技術(shù)進(jìn)步的定量模型、部一級(jí)投資最優(yōu)化模型；微觀經(jīng)濟(jì)方面研究企業(yè)之間和企業(yè)內(nèi)部的工段、車(chē)間和工種之間的最佳分配、生產(chǎn)配合、庫(kù)存最優(yōu)等，這些研究對(duì)羅馬尼亞的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了很好的指導(dǎo)作用。

鐵特里為代表的學(xué)派側(cè)重于實(shí)際系統(tǒng)模型的研究；以M．D．Mesarovic為代表的美國(guó)Case西部?jī)?chǔ)備大學(xué)系統(tǒng)研究中心的學(xué)派是以集論為基礎(chǔ)建立復(fù)雜決策，制定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)原理和目標(biāo)；波蘭科學(xué)院以R．K．Kulikows Ki為代表的學(xué)派是利用管理學(xué)、運(yùn)籌學(xué)和數(shù)學(xué)規(guī)劃等領(lǐng)域的概念，應(yīng)用泛函分析理論為工具來(lái)研究多級(jí)分解的方法。國(guó)外還有一些有成就的學(xué)派不再列舉了。

總之，大系統(tǒng)理論目前仍在發(fā)展，其應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)也取得了明顯的效果。我國(guó)以秦元?jiǎng)捉淌跒槭自诖笙到y(tǒng)穩(wěn)定性方面，雖然在20世紀(jì)60年代初期做了一些開(kāi)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(jì)70年代末期才又開(kāi)始活躍起來(lái)，從理論到應(yīng)用正在奮起直追，出了不少論文和專著。在應(yīng)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(wèn)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(dòng)化系統(tǒng)等領(lǐng)域。隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，原來(lái)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(gè)分系統(tǒng)。從而，大系統(tǒng)理論在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了更高的要求和更新的戰(zhàn)。如，對(duì)于區(qū)域化、大區(qū)域化作戰(zhàn)問(wèn)題中的指揮、控制、信等方面的研究，都是近年來(lái)的軍事大系統(tǒng)領(lǐng)域出現(xiàn)的新題，亟待應(yīng)用大系統(tǒng)理論對(duì)其進(jìn)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(gè)方面：

(1)大系統(tǒng)分析。所謂“分析”，是對(duì)已有的大系統(tǒng)或設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定性的和定量的、靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的理論分析或試驗(yàn)研究。其中包括：對(duì)系統(tǒng)的環(huán)境條件、外部影響因素的分析，對(duì)系統(tǒng)現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)和性能的估算，對(duì)系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和動(dòng)態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)等，以便對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、社會(huì)效果、生態(tài)影響等各方面作出正確評(píng)價(jià)，為改善現(xiàn)有系統(tǒng)的運(yùn)行效能、改進(jìn)系統(tǒng)組織與管理、選取系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提供系統(tǒng)分析的科學(xué)依據(jù)。

(2)大系統(tǒng)綜合。所謂“綜合”，是對(duì)尚待籌建或改建的大系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃決策與方案設(shè)計(jì)，制訂協(xié)調(diào)計(jì)劃與組織管理制度，進(jìn)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(jì)、最優(yōu)控制、最優(yōu)管理問(wèn)題，以求所籌建的或擴(kuò)建的大系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠、協(xié)調(diào)有序，收到優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(wèn)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(fù)雜大問(wèn)題化為簡(jiǎn)單小問(wèn)題。

為了研究不同領(lǐng)域(工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、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(guò)程的共同規(guī)律與方法。例如，大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案問(wèn)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(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的多級(jí)計(jì)算機(jī)控制與管理的典型方案。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，如國(guó)家行政管理系統(tǒng)、軍隊(duì)組織體系、經(jīng)營(yíng)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(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，也具有多級(jí)遞階控制結(jié)構(gòu)。同時(shí)，值得注意的是，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)由集中控制發(fā)展為遞階控制；隨著生物進(jìn)化，生物控制系統(tǒng)也由單神經(jīng)節(jié)發(fā)展為多級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)。這種發(fā)展進(jìn)化過(guò)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(yùn)籌學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的。作為綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的理論和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)工程的方法，是系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的前沿。由于大系統(tǒng)的復(fù)雜性及數(shù)學(xué)模型方法的局限性，大系統(tǒng)理論需要進(jìn)一步發(fā)展與創(chuàng)新。

實(shí)際上，現(xiàn)代管理所面臨的對(duì)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(fù)雜，而且目標(biāo)多樣，功能綜合，尤其是“管理人”、自動(dòng)化機(jī)器以及加速變化的環(huán)境因素等，交叉作用，綜合效應(yīng)，使管理系統(tǒng)的最優(yōu)控制更加復(fù)雜和困難。這就要求正確運(yùn)用大系統(tǒng)論和方法來(lái)研究、處理現(xiàn)代管理問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的或滿意的整體控制目標(biāo)。

1．管理大系統(tǒng)分析

它是指對(duì)已有的大系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行定性和定量的理論分析和實(shí)際研究。包括對(duì)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(duì)大系統(tǒng)現(xiàn)有運(yùn)行狀況的估計(jì)和對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)；等等。以便對(duì)其技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、社會(huì)效果，生態(tài)影響等作出評(píng)價(jià)，尋找改進(jìn)現(xiàn)有性能和運(yùn)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(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2．管理大系統(tǒng)綜合

這是指對(duì)將要籌建或改建的管理大系統(tǒng)，進(jìn)行規(guī)劃決策，總體設(shè)計(jì)，對(duì)籌建過(guò)程和實(shí)際運(yùn)動(dòng)實(shí)施計(jì)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(jì)、控制和管理等問(wèn)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(shí)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(jì)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(biāo)是什么。即使有可能知道其整體最優(yōu)目標(biāo)，也難以找到如何建構(gòu)能夠確保實(shí)現(xiàn)最優(yōu)目標(biāo)的管理大系統(tǒng)。但是，如果我們按如下思路來(lái)考查：當(dāng)管理大系統(tǒng)整體沒(méi)有可能成為最優(yōu)化對(duì)象的時(shí)候，首先考慮將多變量的復(fù)雜系統(tǒng)按一定方式和原則進(jìn)行“系統(tǒng)分割”，將管理大系統(tǒng)(S)分割為幾個(gè)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(biāo)或總?cè)蝿?wù)，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)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(dá)到管理大系統(tǒng)整體目標(biāo)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(jì)劃部門(mén)編制年度生產(chǎn)計(jì)劃。一般是先由其所屬各部門(mén)編出各自的局部最優(yōu)計(jì)劃(分解)，然后由計(jì)劃部門(mén)匯總并予以適當(dāng)調(diào)整，在修改各部門(mén)計(jì)劃的基礎(chǔ)上，達(dá)到該計(jì)劃部門(mén)的整體計(jì)劃最優(yōu)和近似最優(yōu)(綜合)。這些步驟一般要求運(yùn)用“窮舉法”或單純形法，反復(fù)比較，組合與計(jì)算，直到充分滿意為止。需要指出的是，當(dāng)某個(gè)管理大系統(tǒng)的某一特點(diǎn)比較突出且與總目標(biāo)直接相關(guān)，而其他特點(diǎn)可以忽略不計(jì)，就可運(yùn)用一般控制和最優(yōu)化的有關(guān)理論和方法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)。

管理大系統(tǒng)的分解可分為目標(biāo)分解和模型分解兩種。目標(biāo)分解是把管理大系統(tǒng)的總?cè)蝿?wù)或總目標(biāo)分解為各子系統(tǒng)的子任務(wù)或子目標(biāo)。例如，企業(yè)可將總的生產(chǎn)任務(wù)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分配到各車(chē)間。通常，管理大系統(tǒng)的目標(biāo)是可分解的，且其總目標(biāo)函數(shù)可視為各子系統(tǒng)目標(biāo)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(xué)模型中的相互關(guān)聯(lián)，它對(duì)總目標(biāo)的實(shí)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(xué)模型分解為低階、低維的子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，網(wǎng)絡(luò)模型或物理模型，以便于計(jì)算、求解并優(yōu)化。管理大系統(tǒng)的模型分解，實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)數(shù)學(xué)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(fù)雜大系統(tǒng)的“維數(shù)災(zāi)”，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。就管理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分解而言，目前已有多種方法能夠?qū)崿F(xiàn)其模型簡(jiǎn)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(jiǎn)化)為變量較少的集結(jié)模型，并保證其主要?jiǎng)討B(tài)性能不變；攝動(dòng)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(duì)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(dòng)項(xiàng)(或稱微干擾項(xiàng))設(shè)法予以略去，即關(guān)聯(lián)平衡原則和關(guān)聯(lián)預(yù)估原則。其實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(yù)估條件”，從而實(shí)現(xiàn)管理大系統(tǒng)整體目標(biāo)最優(yōu)化。