Основы медицинской гомеостатики. Лекции по теории и практике биоинформационных коррекций - [5]

В технике существует три основных способа защиты системы управления от действия на нее помехи: создание специальных экранов, использование различных фильтров и самокомпенсация, т.е. управление; дополнительной адаптации; защитный. Информационные сигналы поступают на регулятор-руководитель и разделяются им на два симметричных потока, которые направляются через регуляторы-исполнители, находящиеся между собой в конкурентных отношениях, т.е. имеют разные знаки на выходе. Практически это выражается в том, что рабочие точки симметричных регуляторов предварительно разводятся относительно нулевой точки, что создает как бы противоречие между каналами, которое является "горячим резервом" гомеостата. Управление этим резервом, также как и коррекция задания регуляторам, производится регулятором-руководителем. Подавление помехи внутри самого управления посредством тех или иных информационных преобразований. Первые два способа защиты от помехи являются пассивными, а последний активным.

Гомеостат живого организма не содержит в своем составе (по крайней мере для электромагнитных возмущений) явно выраженных экранов или фильтров, поэтому можно полагать, что основным способом защиты гомеостата от проникающей помехи является способ самокомпенсации. Вероятно, именно этот фактор в значительной степени повлиял на отбор природой такой структуры гомеостата. Сильная помеха оказывает двоякое действие на систему управления живого организма: для верхних уровней она служит основной информацией для запуска соответствующих адаптационных механизмов, а для нижних выполняет роль вредных воздействий, которые, если их не скомпенсировать, могут нарушить поддержание различных гомеостазов.

Чтобы изучать механизмы обеспечения гомеостаза, необходимо иметь имитационную модель, на которой можно было бы проигрывать различные режимы работы гомеостата. Такая имитационная модель была создана на основе системы уравнений, где регуляторы представлены минимально достаточными законами управления: для Р1, Р2, Р3 - пропорционально-интегральным законом, а для управления внутренним противоречием - пропорционально-дифференциальным законом. Минимальная достаточность системы уравнений, описывающих поведение гомеостата, заключается в минимальности заложенных законов регулирования, но достаточна с точки зрения отражения работы основных механизмов, которые действуют в гомеостате. Обратные связи для упрощения имитационной модели представлены как линейные и независимые, хотя в живых организмах они могут быть нелинейными и зависимыми, например скоростно-чувствительными и концентрационно-чувствительными. Управляемый объект был представлен в виде звездообразной схемы замещения передаточных функций. Эффект от такого регулирования при демпфировании больших возмущений будет тем большим, чем глубже внутреннее противоречие внедряется в объект.

Следует учесть, что в этом случае будут соответственно большими избыточность и непроизводительные потери - своего рода "плата" за лучшие показатели в отношении качества регулирования, надежности и т.д. Вероятно, именно это обстоятельство послужило причиной, что такой способ регулирования еще не нашел применения в технике. Однако сейчас, когда резко возрастают требования к живучести, помехозащищенности систем управления особенно ответственными объектами, гомеостатические принципы управления будут привлекать все большее внимание и в технических задачах.

В разработанной схеме модели гомеостата новыми моментами являются: наличие противоречия между каналами и управление этим противоречием как "горячим" резервом; согласование управления заданиями Р1 и Р2 со стороны Р3; введение дифференциального метода включения каналов и сам объект с сохранением принципа конкурентного управления.

Для иллюстрации хороших динамических свойств гомеостата ниже приводится компьютерная осциллограмма переходного процесса при большом скачкообразном возмущении, подаваемом в точку суммирования u1 и u2. Из осциллограммы (рис. 2а) видно, что при относительно сильном возмущении (q0/xst=5) гомеостаз быстро восстанавливается.

Рис. 2. Переходные процессы при скачкообразном возмущении в объекте. а- величина возмущения q0 = 100; б- предварительное отключение Р1 и затем приложение возмущения q0= 80.

Если величину q0 в тех же условиях увеличить до 110, то гомеостат потеряет живучесть, т.е. способность поддерживать заданный гомеостазу y=xst.

Если по каким-либо причинам происходит отключение одного из каналов регулирования, например Р1, то гомеостаз после небольшого колебательного процесса восстанавливается (рис. 2б). Но в этом случае снижается адаптационный ресурс гомеостата, а следовательно, и его живучесть. Он способен при принятых условиях, выдержать без нарушения поддержания значений выходного параметра y=xst величину возмущения q0 в диапазоне от-10 до +80, тогда как в норме выдерживает внешнее возмущение в диапазоне от -100 до +100. Таким образом, говоря языком биолога, границы нормы реакции гомеостата по данному признаку значительно сужаются.

В механизмах гомеостата важную роль играет ВНУТРЕННЕЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ, которое определяет внутреннюю управляемую конкуренцию и демонстрирует при этом мало изученные стороны закона единства и борьбы противоположностей. Разные философские системы указывали, что противоречия являются одним из определяющих в познании механизмов различных явлений в природе и обществе. Сейчас уже требуется осмысление и развитие этого понятия не только на философском уровне, но и на уровне системных исследований вплоть до создания методов количественной оценки противоречий.