Основы теории регулирования биологических систем

Лекция 2.

Эффективное функционирование любой системы предполагает наличие управления.

Управление - это осуществление воздействия на систему (объект) в соответствии с имеющейся программой или целью функционирования.

Цель управления - адекватное выполнение системой ee целевой функции.

Целевая функция системыможет заключаться в:

ü поддержании какого-либо параметра на постоянном уровне (например, температуры тела, влажности в помещении и.т.д.),

ü приспособлении к изменяющимся условиям внешней среды (что характерно для сложных кибернетических систем, к которым относятся биологические системы) и т. п.

Системный (кибернетический) подход, заключается в рассмотрении процессов управления с единой точки зрения независимо от природы системы. Любая система управления состоит из управляющего устройства и управляемого объекта, а также каналов связи между ними.

В связи с этим различают управляющую и у правляемую подсистемы (системы).

Связь между управляющей и управляемой системами (подсистемами) может быть:

ü вещественной,

ü энергетической,

ü информационной,

Важно отметить, что свойством управляемости обладают не все системы. Управление связано с целенаправленным выбором ответов системы из некоторого множества. Необходимыми условиями управляемости системы являются:

1) наличие определенного набора возможных состояний,

2) способность переходить из одного состояния в другое,

3) организованность системы.

Организованность - наличие определенной структуры и целесообразного состава и наличие связей между элементами.

Необходимой характеристикой управляемой системы является способность изменять поведение, местоположение и переходить в новое состояние под воздействием различных управляющих воздействий.

В зависимости от направления передачи информации различают осведомительную и управляющую информацию.

Осведомительная информация - это информация от управляемой подсистемы о режиме ее функционирования.

Управляющая информация – это информация, исходящая от управляющей подсистемы для корректирования режима работы управляемых систем.

Задача управления состоит в формировании процессов, определяющих поведение системы.

Закон управления - зависимость управляющего действия от состояния системы и среды. Любой закон управления может быть представлен последовательностью сравнительно простых единичных фактов, «порций информации». Эта последовательность определяет алгоритм управления.

Время от поступления очередной порции информации до поступления управляющей команды называется длительностью цикла управления.

Формирование закона управления можно разделить на три группы:

ü реакция,

ü стереотип,

ü моделирование.

Данный процесс зависит от того, насколько адекватно происходит оценка состояния и поведения системы. Управляющая информация может формироваться как на основе априорной информации (предсказание развития ситуации), так и на основе апостериорной информации о внутренней среде и состоянии системы.

Существует внешнее и внутреннее управление.

Внешнее управление - это управление, осуществляемое со стороны другой системы или среды.

Внутреннее управление - управление, осуществляемое внутри системы со стороны одной из подсистем.

Управляющие воздействия по своей форме бывают непрерывные и дискретные.

Непрерывные управляющие воздействия характеризуются непрерывным изменением во времени управляющих сигналов

Дискретные управляющие сигналы реализуются при помощи последовательности импульсов. При этом полезная информация формируется путем изменения частоты (частотная модуляция), амплитуды (амплитудная модуляция), длительности импульса (широтная модуляция), а также по появлению первого импульса от начала управления или заданного времени отсчета (фазовая модуляция).

При рассмотрении процессов управления мы будем использовать следующие понятия и выражения:

· управляющий / управляемый объект (блок, звено, компонент, подсистема)

· рецептор,

· рецепторная подсистема,

· эффектор,

· эффекторная подсистема,

· афферентный,

· эфферентный,

· конечный полезный эффект (КПЭ),

· возмущающее воздействие,

· контур управления,

· замкнутая система /контур,

· незамкнутая система/ контур,

· полузамкнутый контур,

· управление по отклонению,

· управление по возмущению,

· автоматическое управление / регулирование,

· регулятор.

Рецептор - специализированный прибор, воспринимающий определенный вид воздействий внешней и внутренней среды.

Рецепторные подсистемы - преобразуют внешние воздействия в информационные сигналы.

Эффектор - элемент, осуществляющий деятельность (поперечно-полосатая или гладкая мышца, железа и т.д.)

Эффекторные подсистемы - способны преобразовывать управляющие воздействия. Они способны воздействовать на другие подсистемы, соседние системы или среду. При этом они воздействуют на них веществом, энергией, информацией.

Рефлекс - любая ответная реакция организма, осуществляющаяся с участием ЦНС.

Рефлекс осуществляется при помощи различных структур.

Рефлексивные подсистемы – системы, способные воспроизводить внутри себя процессы воздействия на информационном уровне.

Афферентный - означает “направляющийся в центр”, т. е. на управляющую систему (подсистему), центростремительный. Например, афферентный нейрон спинного мозга проводит сигнал, возникающий в рецепторе в нервный центр.

Эфферентный - “направленный (поступающий) от центра” т.е. на управляемую подсистему, центробежный. Примером является двигательный нейрон спинного мозга (мотонейрон). По его аксону сигнал доходит до эффектора.

Управляющие системы получают информацию, как от управляемой системы, так и из окружающей среды. На управляемую систему информация поступает при помощи эфферентных связей и эффекторной подсистемы. На управляющую систему осведомительная информация поступает посредством афферентных связей и рецепторной подсистемы.

Автоматическое управление - управление, при котором операции, обеспечивающие достижение заданной цели управления выполняются системой без вмешательства человека. Примером может являться системы управления транспортными средствами (автопилот), самонаводящиеся ракеты, аппараты замещения функций организма (ЭКС, ИВЛ). Разновидностью автоматического управления является автоматическое регулирование.

Автоматическое регулирование - автоматическое поддержание постоянства или изменение по требуемому закону некоторой физической величины объекта управления.

Регулятор - управляющий орган при автоматическом регулировании.

Разомкнутая система - система, в которой управляющий объект не получает или не учитывает информацию от объекта управления.

Прямая связь

Управляющий Управляемый

объект объект

Рис 1. Упрощенная блок-схема разомкнутой системы

Возмущение (t наружного воздуха)

Канал прямой

Термометр связи Кондиционер Помещение

(регулятор)

Рис 2. Пример блок-схемы разомкнутой системы

(автоматический регулятор температуры)

Дата добавления: 2017-01-14