В живых организмах гомеостат в отличие от вещественной единицы жизни
- клетки выступает как ИНФОРМАЦИОННАЯ ЕДИНИЦА ЖИЗНИ.
ГОМЕОСТАТ (Homeostat) - структура управления материальными объектами,
содержащая прямые, обратные и перекрестные связи, обеспечивающая в про-
цессе своей работы поддержание гомеостаза, т.е. динамического посто-
янства жизненно важных функций и параметров системы.
Гомеостатическая система - система, состоящая из управляемой части и
управляющей, когда последняя представляет собой гомеостат.
Модель гомеостата и ее свойства
Если рассмотреть весьма упрощенную блок-схему гомеостата (смотри
рис.1а), то она выглядит следующим образом - это двухканальный симмет-
ричный гомеостат с тремя контурами управления: основной, осуществляющий
непосредственное управление; дополнительной адаптации; защитный. Инфор-
мационные сигналы поступают на регулятор-руководитель и разделяется им
на два симметричных потока, которые направляются через регуляторы-испол-
нители, 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-руководи-
телем. Причем делается это очень "мудро": во всех режимах поддерживается
гомеостаз и не допускается чтобы конкуренция между регуляторами-исполни-
телями перешла в конфликт, т.е. чтобы один из них начал подавлять дру-
гой. "Горячий резерв "вводится только для компенсации больших неожидан-
ных возмущений. Задания между рабочими регуляторами перераспределяется,
если функция одного из них начинает снижаться. Подобный механизм
действует вплоть до полного отключения одного их них.
Различные возмущения, действующие на саму систему управления, могут
нарушать работу всего управления и привести к полной дезорганизации
функционирование объекта. Рис. 1. Блок-схема модели основного контура
гомеостата
а) основной контур; б) выходная характеристика при конкурентных отно-
шениях; в) выходная характеристика при союзнических отношениях.
Обозначения: Р3 - регулятор-руководитель; Р1,Р2 регуляторы-исполните-
ли, находящиеся в конкурентных отношениях; R1, R2, R3 - три уровня отно-
шений: R1 - между исполнителями и управляемым объектом, R2 - между ис-
полнителями, R3 - между исполнителями и руководителем; О - объект регу-
лирования; u1, u2 - управляющие сигналы с противоположно направленными
знаками; y1, y2 - обратная связь от объекта регулирования на регулято-
ры-исполнители; y3 - обратная связь на регулятор-руководитель и выход
сигнала на внешние структуры; Xs - входной сигнал; Ys - выходной пара-
метр.
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-руко-
водитель и разделяются им на два симметричных потока, которые направля-
ются через регуляторы-исполнители, находящиеся между собой в конкурент-
ных отношениях, т.е. имеют разные знаки на выходе. Практически это выра-
жается в том, что рабочие точки симметричных регуляторов предварительно
разводятся относительно нулевой точки, что создает как бы противоречие
между каналами, которое является "горячим резервом" гомеостата. Управле-
ние этим резервом, также как и коррекция задания регуляторам, произво-
дится регулятором-руководителем. Подавление помехи внутри самого управ-
ления 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 гомеоста-
та от проникающей помехи является способ самокомпенсации. Вероятно,
именно этот фактор в значительной степени повлиял на отбор природой та-
кой структуры гомеостата. Сильная помеха оказывает двоякое действие на
систему управления живого организма: для верхних уровней она служит ос-
новной 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 ими-
тационную модель, на которой можно было бы проигрывать различные режимы
работы гомеостата. Такая имитационная модель была создана на основе сис-
темы уравнений, где регуляторы представлены минимально достаточными за-
конами управления: для Р1, Р2, Р3 - пропорционально-интегральным зако-
ном, а для управления внутренним противоречием - пропорционально-диффе-
ренциальным законом. Минимальная достаточность системы уравнений, описы-
вающих поведение гомеостата, заключается в минимальности заложенных за-
конов регулирования, но достаточна с точки зрения отражения работы ос-
новных 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, напри-
мер скоростно-чувствительными и концентрационно-чувствительными. Управ-
ляемый объект был представлен в виде звездообразной схемы замещения пе-
редаточных 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 избы-
точность и непроизводительные потери - своего рода "плата" за лучшие по-
казатели в отношении качества регулирования, надежности и т.д. Вероятно,
именно это обстоятельство послужило причиной, что такой способ регулиро-
вания еще не нашел применения в технике. Однако сейчас, когда резко воз-
растают 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 приво-
дится компьютерная осциллограмма переходного процесса при большом скач-
кообразном возмущении, подаваемом в точку суммирования u1 и u2. Из ос-
циллограммы (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 за-
тем приложение возмущения q0= 80.
Если величину q0 в тех же условиях увеличить до 110, то гомеостат по-
теряет 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 адапта-
ционный ресурс гомеостата, а следовательно, и его живучесть. Он способен
при принятых условиях, выдержать без нарушения поддержания значений вы-
ходного 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 гоме-
остата 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 противополож-
ностей. 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.
ПРОТИВОРЕЧИЕ в гомеостатических системах - это характеристика разли-
чия и противоположности целей подсистем, вызывающих конкурентную борьбу
между ними с соответствующими негативными последствиями для этих подсис-
тем ("плата" за противоречие), и позитивного эффекта для всей системы (в
виде повышения качества управления и устойчивости системы). Формальным
образом вводятся также понятия "остроты противоречия", "степени антаго-
низма", "напряженности отношений", "компромисса" и т.п.
ОСТРОТА ПРОТИВОРЕЧИЯ - качественный показатель противоречия, опреде-
ляемый через относительную противоположность целей "противоборствующих"
подсистем. С формальной стороны острота противоречия рассматривается как
степень разнонаправленности целей и как показатель их удаленности от
осей баланса.
ПЛАТА ЗА ПРОТИВОРЕЧИЕ - это прагматическая оценка, характеристика не-
гативных последствий в системах, вызванных действием между ними конку-
рентных или конфликтных отношений.
Внутри больших систем могут одновременно существовать противоречия
между целой совокупностью целей, а при превышении эквивалентной величи-
ной противоречия какого-то предельного значения может возникать обрати-
мая или необратимая потеря устойчивости системы вплоть до ее распада. В
связи с этим появляется необходимость введения эквивалентных показателей
противоречия, которые позволили бы оценивать интегральную характеристику
противоречия. В качестве такой характеристики используется показатель
напряженности отношений.
НАПРЯЖЕННОСТЬ ОТНОШЕНИЙ внутри системы - это интегральная характерис-
тика противоречия, обобщенная по совокупности противоречивых целей и
учитывающая значимость целей и фактор последействия.
Напряженность отношений в конструктивном плане снимается компромис-
сом, т.е. некоторой платой каждой из конкурирующих сторон подсистем
большой системы.
КОМПРОМИСС - это характеристика снятого противоречия, в общем случае
определяемого через уменьшение величины противоречия, остроты и негатив-
ных последствий его действия; компромисс требует от конкурирующих (конф-
ликтующих) подсистем каких-либо уступок, которые являются "платой" за
позитивные последствия компромисса. Управление компромиссом, а следова-
тельно, и величиной противоречий для подсистем внутри большой системы,
играет особенно важную роль в биологических системах.
В биологических системах можно выделить два основных типа разрешения
противоречия: целенаправленные, стремящиеся обеспечить устойчивую и эко-
номичную работу системы в нормальных и экстремальных условиях, и патоло-
гические ("извращенные"), которые не способствуют достижению заданной
цели функционирования системы.
ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫМ ОБРАТИМЫМ РЕШЕНИЕМ ПРОТИВОРЕЧИЯ в процессе функцио-
нирования гомеостатических систем является такое временное уменьшение
внутреннего противоречия, которое либо обеспечивает сохранение баланса
между конкурирующими каналами, либо способствует компенсации сильного
внешнего воздействия.
ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ ПРОТИВОРЕЧИЯОшибка! Закладка не опреде-
лена. В ПРОЦЕССАХ РАЗВИТИЯ гомеостатических систем будет такое изменение
внутреннего противоречия гомеостата, которое в определенном отношении
является адекватным уровню внешних возмущений и помех, действующих на
гомеостат.
ПАТОЛОГИЧЕСКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ ПРОТИВОРЕЧИЯ в гомеостатических системах
будут такие изменения внутреннего противоречия, которые вызывают переход
конкуренции между каналами гомеостата в конфликт и приводят к грубым на-
рушениям гомеостаза.
Существенную роль в процессе функционирования больших активных систем
может оказывать феномен паразитирования, вызванный особым видом противо-
речия. Этот феномен часто служит началом деградирующих тенденций. Суть
этого феномена состоит в том, что цели каждой подсистемы можно подразде-
лить на цели, достигаемые в интересах всей системы (глобальные цели, ра-
ди которых и существует данная подсистема), и цели жизнеобеспечения под-
системы (цели ее собственных нужд). "Активные" подсистемы могут менять
свои цели состояния в ущерб всей системе, например, гипертрофировать це-
ли своего обеспечения и даже генерировать новые цели, направленные на
удовлетворение своих "личных" интересов. Поскольку ресурс обычно ограни-
чен, для достижения гипертрофированных целей одна из подсистем расходует
на них большую его часть, а в пределе и весь ресурс.
Паразитирование может быть внутренним, внешне-замкнутым и также внеш-
не-разомкнутым, когда отбирается ресурс от окружающей среды.
ПАРАЗИТИРОВАНИЕ - это избыточное потребление подсистемой ресурсов на
свое жизнеобеспечение в результате гипертрофированного изменения своих
частных целей в ущерб целям системы или окружающей среды.
Формально вводится индекс паразитирования, как один из видов "платы"
за негативное проявление противоречия между действительным функциониро-
ванием системы и тем, как она должна функционировать, исходя из заданных
критериев оптимальности.
Гомеостатика вводит такие понятия, как ЗАПАС ПРОТИВОРЕЧИЯ и закон
сохранения противоречия. Под запасом противоречия понимается избыточно
создаваемые и поддерживаемые в гомеостате ресурсы пластических и энерге-
тических веществ, которые могут использоваться при временном резком по-
вышении их расхода для поддержания нормального функционирования системы
в целом при ограничении притока ресурсов извне. В норме создаваемый из-
быток нейтрализуется и таким образом существует потенциально, готовый
быть вовлеченным в метаболизм в любой момент при необходимости. Противо-
речие в природных и живых системах играет жизненно важную роль как ис-
точник ультра-устойчивости систем и как средство повышения качества их
функционирования. Гомеостаты живых организмов объединяются ("склеивают-
ся") между собой в ИЕРАРХИЧЕСКИЕ СЕТИ ОТНОШЕНИЙ, которые могут быть со-
юзническими, партнерскими, нейтральными, конкурентными, конфликтными и
комбинированными. Объединяясь, гомеостаты образуют гомеостат более высо-
кого организационного уровня, который функционально обладает принципи-
ально таким же механизмом обработки информации как и гомеостаты его сос-
тавляющие, но на качественно новом (интегральном) уровне. Такие гомеос-
таты будем называть соответственно гомеостатами второго и более высоких
порядков.
Имеются экспериментальные работы, показывающие возможность количест-
венной оценки величины противоречия и степени антагонизма не только меж-
ду отдельными гомеостатами в организме, но и социальных систем, например
в малых человеческих коллективах, в которых в различной форме проявляют-
ся кооперативные, конкурентные и конфликтные отношения. В таких системах
могут действовать паталогические отношения типа "бюрократического функ-
ционирования" и "информационного вредительства".
Было выявлено, что гомеостатические системы на непредсказуемое изме-
нение информационного потока отвечают двухфазным реагированием: немед-
ленной реакцией на снятие возникшей остроты противоречия и после этого
относительно длительным выравниванием запаса противоречия, потраченного
в процессе реализации первого этапа. Приведу пример общего характера о
необходимости поддержания противоречия организмом в целом. Организм, как
иерархическая сеть физиологических систем, в каждый данный момент, с од-
ной стороны, стремится к минимуму производимой работы и, соответственно,
иметь минимальный запас энергии, так как на поддержание этого запаса
требуется дополнительная затрата энергии и ее веществ-носителей, но с
другой стороны, организм для своего выживания вынужден накапливать и
поддерживать некоторый избыточный запас энергии и пластических веществ
для компенсации неожиданных изменений во внешней среде.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29