Простейший блок управления (прямая положительная связь)

Чтобы любая СФЕ могла действовать, она должна содержать определённые элементы для осуществления своих действий согласно закону сохранения и причинно-следственных ограничений. Для выполнения целевых действий система должна содержать элементы исполнения, а для того, чтобы взаимодействие элементов исполнения было целевым, система должна содержать элементы (блок) управления.

Элементы исполнения (эффекторы) выполняют само определённое (целевое) действие системы, чтобы получался заданный результат действия. Сам собой результат действия не получится. Для его получения необходимо действие определённых объектов. Такими элементами на примере плоскостей с пробным шаром являются сами плоскости.

Но он (элемент исполнения) существует сам по себе и производит собственные результаты действия в ответ на внешние по отношению к нему определённые воздействия. Если на него что-то подействует, он прореагирует, не подействует – не прореагирует. Взаимодействие с другими элементами его касается постольку, поскольку результаты действия других элементов являются внешним воздействием для него самого и могут вызвать его реакцию в ответ на эти воздействия. Эта реакция проявится уже в виде его собственного результата действия, который также будет внешним воздействием для других элементов системы, но не больше. Ни один результат действия любого элемента системы не может быть результатом действия самой системы по определению. Выполнилось ли заданное условие (цель системы) случайно или не случайно, получился ли у данной группы элементов качественно новый заданный результат действия, или что-то помешало этому, для любого отдельно взятого элемента исполнения это совершенно безразлично. На «самочувствии» элементов исполнения, т.е., на их собственных функциях это никак не отражается и никакое их внутреннее свойство не заставит их следить за выполнением генеральной цели системы. Они просто не «умеют» этого делать.

Элементы управления (блок управления) необходимы для того, чтобы получался именно заданный, а не какой-либо иной результат действия. Так как целью является реакция в ответ на специфическое внешнее воздействие, то сначала нужно почувствовать его, выделить его из множества других неспецифических внешних воздействий, принять решение о каких-либо специфических действиях и начать действовать.

Если, например, СФЕ реагирует на давление, то она должна уметь «чувствовать» (рецепция) именно давление, а не температуру или что-либо другое. Для этого у неё должен быть специальный орган (рецептор), который умеет это делать. А для того, чтобы реагировать только на специфическое внешнее воздействие, которое может иметь отношение к выполнению её цели, СФЕ должна не только иметь рецепцию, но и выделить его из всех остальных внешних воздействий, которые действуют на неё (селекция). Для этого у неё должен быть специальный орган (селектор, или анализатор), который умеет выделять нужный сигнал из массы других. Далее, почувствовав и выделив внешнее воздействие она должна принять решение о том, что нужно действовать (принятие решения). Для этого у неё должен быть специальный орган для принятия решений, который может принимать решения. Затем она должна реализовать это решение, т.е., заставить элементы исполнения действовать (реализация решения). Для этого у неё должны быть элементы (стимуляторы), с помощью которых можно передать решение на элементы исполнения.

Следовательно, чтобы прореагировать на определённое внешнее воздействие и получить необходимый результат действия необходимо выполнить следующую цепочку управляющих действий:

рецепция → селекция → принятие решения → реализация решения (стимуляция)

Какие элементы должны выполнять эту цепочку действий управления? Элементы исполнения (например, плоскости) этого делать не могут, потому что выполняют само действие, например, захвата, но не действия управления. Поэтому они и называются элементами исполнения.

Все действия управления должны выполнять элементы управления (блок управления) и они должны входить в состав СФЕ.

Рис. 4. Неуправляемая простая СФЕ (А) и алгоритм работы её блока управления (В).

Блок управления состоит из (рис. 4):

 рецептора Х (выделяет специфичный сигнал и определяет наличие внешнего воздействия)

 афферентных путей (передают информацию с рецептора в анализатор)

 анализатора-информатора (на основе информации с рецептора «Х» вырабатывает решения об активации исполнительных элементов)

 эфферентных путей (стимулятора) (реализация решения, передают управляющие воздействия на эффекторы)

Рецептор «Х», афферентные пути, анализатор-информатор (побудитель к действию) и эфферентные пути (стимулятор) вместе составляют блок управления. Рецептор и афферентные пути является прямой положительной связью (ППС). Прямой потому, что внутри СФЕ сигнал управления (информации о наличии внешнего воздействия) идёт в том же направлении, что и само внешнее воздействие. Положительной потому, что если есть сигнал, есть реакция, нет сигнала, нет реакции.

Таким образом, блок управления СФЕ реагирует на внешнее воздействие. Он может почувствовать и выделить специфический сигнал внешнего воздействия из множества других внешних воздействий и, в зависимости от наличия или отсутствия специфичного сигнала решить, делать собственное действие или нет. А его собственным действием является побуждение (стимуляция) элементов исполнения действовать.

Есть неуправляемые (рис. 4) и управляемые СФЕ (рис. 5). Блок управления неуправляемых СФЕ решает действовать или нет только в зависимости от наличия внешнего воздействия. Блок управления управляемых СФЕ также решает действовать или нет в зависимости от наличия внешнего сигнала, но при наличии дополнительного условия – разрешения на это действие, которое подаётся на его вход уставки.

У неуправляемой СФЕ есть один вход для внешнего воздействия и один выход для результата действия. Логика работы такой СФЕ чрезвычайно простая – если есть определённое внешнее воздействие, то она действует (есть результат действия), если нет внешнего воздействия, то нет результата действия. Для неуправляемых СФЕ регулятором действия является само внешнее воздействие. У неё есть собственное управление, осуществляемое внутренним блоком управления. Но у такой СФЕ невозможно внешнее управление. Она сама решает, действовать ей, или нет. Поэтому она называется неуправляемой. Это решение зависит только от наличия внешнего воздействия. Если есть внешнее воздействие, то она действует и никакое внешнее решение (не воздействие) не может изменить внутреннего решения данной СФЕ. Неуправляемая СФЕ независима от внешних решений. Если она «решила», то выполнит свое действие.

Примером неуправляемой СФЕ является, например, молекула нитроглицерина (СФЕ для микровзрыва). Если её тряхнуть (внешним воздействие является тряска), то она начнёт распадаться, выделяя энергию, и во время этого процесса ничто не остановит её от распада.

Аналогом неуправляемых СФЕ в живом организме являются саркомеры, лиганды гемоглобина и т.д. Если саркомер начал сокращаться, он не остановится, пока не закончит сокращение. Если лиганда гемоглобина начала захватывать кислород, она не остановится, пока не закончит захват.

В отличие от неуправляемых у управляемых СФЕ есть два входа (один для входа внешнего воздействия и один – для ввода уставки в анализатор) и один выход для результата действия (рис. 5). Логика работы управляемой СФЕ несколько отличается от логики работы неуправляемой СФЕ. Такая СФЕ будет давать результат действия не только в зависимости от наличия внешнего воздействия, но и от наличия разрешения на входе уставки.

Если есть определённое внешнее воздействие и есть разрешение на входе уставки, то действие начнёт выполняться. Если есть внешнее воздействие и нет разрешения на входе уставки, тот не должно быть действия. Для управляемых СФЕ регулятором действия является разрешение на входе уставки. Потому такие СФЕ называются управляемыми.

Аналогом управляемой СФЕ в живом организме являются, например, лёгочные функциональнальные единицы вентиляции (ФЕВ) или перфузии (ФЕП-МКК), тканевые функциональнальные единицы перфузии (ФЕП-БКК), функциональные единицы секреции (клетки желёз различной секреции, ФЕС), нефроны почек, ацинусы печени и т.д.

Элементы блока управления построены (собраны) из других обычных элементов, подходящих по своим характеристикам. Он может быть построен как из самих исполнительных элементов, соединённых определённым образом и по совместительству выполняющих функции исполнения и управления, так и из других не принадлежащих к данной группе исполнительных элементов и выделеных в отдельную цепь управления. В последнем случае они могут быть точно такими же, как и исполнительные элементы, но также могут быть сделаны и из других элементов. Например, мышечные сократительные функциональные единицы состоят из мышечных клеток, но управляются нервными центрами, состояшими из нервных клеток. В тоже время все виды клеток, как нервных, так и мышечных, построены почти из одинаковых строительных материалов – белков, жиров, углеводов и минералов.

Рис. 5. Управляемая СФЕ (А) и алгоритм работы блока её управления (В).

Отличие управляемой СФЕ от неуправляемой только в наличии входа уставки. Отсюда же и изменение алгоритма её работы. Действия управляемой СФЕ зависят не только от внешнего воздействия, но и от запрета М на входе уставки.

Блок управления является простейшим если он содержит только ППС (рецептор «Х» и афферентные пути), анализатор-информатор и стимулятор.

СФЕ являются первичными ячейками, исполнительными элементами любых систем. Как видим, несмотря на свою примитивность, они представляют собой довольно сложный и многокомпонентный объект. Каждая из них содержит не менее двух типов элементов (управления и исполнения), и каждый тип включает в себя ещё и ещё, но эти элементы являются обязательными атрибутами любой СФЕ.

Сложность СФЕ является сложностью иерархии их элементов. Особой разницы между элементами исполнения и элементами управления нет. В конечном итоге всё в этом мире состоит из электронов, протонов и нейтронов. Разница между ними только в их месте в иерархии систем, т.е., в их взаимном расположении.

Рис. 6. Составная СФЕ в режиме ожидания (А), запрете функции (В) и её реализации (С).

Составная СФЕ содержит 4 простых СФЕ. Если нет никакого внешнего воздействия, все простые СФЕ неактивны, нет никакого результата действия (А). Если есть внешнее воздействие «Х», но уставка вносит «нет» (запрет на действие), все СФЕ также неактивны и также нет результата действия (В). Если есть внешнее воздействие и уставка вносит «да» (разрешение на действие), то все СФЕ активны и есть результат действия (С). «Мощность» данной составной СФЕ в 4 раза больше «мощности» простой СФЕ. Активация СФЕ производится через вводы уставки их блоков управления. У каждой простой СФЕ есть собственная ППС и общая для них всех ППС.

1 – рецептор «X»; 2 – прямая положительная связь.

Из неуправляемых и управляемых СФЕ можно строить другие СФЕ (составные, рис. 6), более мощные, чем одиночная СФЕ. В реальном мире мало простых СФЕ, которые дают минимальный неделимый результат действия. Гораздо больше составных СФЕ. Например, патрон, наполненный крупинками пороха является составной СФЕ (СФЕ для выстрела), но его энергия взрыва намного больше энергии одиночной крупинки пороха.

Блок-схема составной СФЕ очень похожа на блок-схему простой СФЕ. Отличие составной СФЕ от простой только количественное. Простая СФЕ содержит только одну СФЕ – саму себя, а составная содержит несколько СФЕ, потому есть возможность усиления результата действия.

Таким образом, простая и составная СФЕ содержат два типа элементов:

· элементы исполнения (эффекторы, которые выполняют специфические действия для достижения заданной генеральной цели системы)

· элементы (блок) управления (ППС, анализатор-информатор и стимулятор, который активирует СФЕ)

У составной СФЕ такой же блок управления, как и отдельной СФЕ, т.е., простейший, с прямой управляющей связью (ППС). Составные СФЕ также работают по принципу «всё или ничего». Т.е., они либо дают максимальный результат действия в ответ на внешнее воздействие, либо ждут это внешнее воздействие и не делают никаких действий. Отличие составных СФЕ от простых СФЕ только в силе или амплитуде реакции, которая пропорциональна числу простых СФЕ.

Если костяшки домино стоят в последовательном ряду, то их результатом действия будет долгий звук от падения костяшек, длительность которого равна сумме числа падений каждой костяшки (увеличение длительности результата действия). Если костяшки стоят в параллельном ряду, то их результатом действия будет короткий, но громкий звук, равный сумме громкостей от падения каждой костяшки в отдельности (увеличение мощности).

Рис. 7. Полный цикл и микроциклы функции простой идеальной составной СФЕ.

a – внешнее воздействие на которое СФЕ начинает реагировать; b – внешнее воздействие, на которое СФЕ не реагирует, потому что находится в рефрактерном состоянии (не может активировать исполнительные элементы, потому что они уже активированы); с – амплитуда результата действия СФЕ на графике функции СФЕ.

1 – восприятие и селекция внешнего воздействия рецептором “X” после начала внешнего воздействия и принятие решения; 2 – активация элементов исполнения; 3 – выполнение действия элементов исполнения; 4 – прекращение функции; 5 – полный цикл функции СФЕ.

Цикл работы идеальной простой и составной СФЕ складывается из микроциклов (рис. 7):

 восприятие и селекция внешнего воздействия рецептором «X» и принятие решения

 воздействие на исполнительные элементы (СФЕ)

 срабатывание исполнительных элементов (СФЕ)

 прекращение функции.

После начала внешнего воздействия срабатывает рецептор «X» (1-й микроцикл). Затем уходит какое-то время на принятие решения, потому что это решение само является результатом действия определённых СФЕ, входящих в состав блока управления (2-й микроцикл). Затем активируются (включаются) все СФЕ (3-й микроцикл). Время срабатывания СФЕ зависит от скорости утилизации энергии, затраченной на действие СФЕ, например, от скорости сокращения саркомера в мышечной клетке и которое определяется скоростью биохимических реакций в мышечной клетке. После этого все СФЕ прекращают свою функцию (4-й микроцикл). При этом СФЕ полностью затрачивает на своё действие всю ту энергию, которую она имела и могла использовать на это действие. А так как очередность действий и результат действия всегда один и тот же, то и эта мера энергии всегда одна и та же (квант энергии). Чтобы СФЕ снова могла совершить новое действие, её нужно снова «зарядить» энергией. На это также может уходить время (время зарядки энергией, на графике не показано). Как это происходит рассмотрено в разделе, посвященном пассивным и активным системам, см. ниже).

У любой СФЕ цикл её деятельности складывается из этих микроциклов. Поэтому, её время цикла (5 на рис. 7) работы всегда одинаковое и равно сумме этих микроциклов. Если СФЕ начала свои действия, она не остановится, пока не завершит свой полный цикл. В этом причина неуправляемости любых СФЕ в процессе их срабатывания (абсолютная рефрактерность) – внешнее воздействие может быстро закончиться и снова начаться (b на рис. 7), но пока СФЕ не закончит свои действия, она не остановится и не будет реагировать на новое внешнее воздействие.

В реальных составных СФЕ к этим микроциклам могут добавляться дополнительные микроциклы, обусловленные несовершенством реальных объектов, например, несинхронностью срабатывания элементов исполнения из-за их неодинаковости.

Отсюда видно, что даже простейшие системы, каковыми являются СФЕ, срабатывают не сразу, а им требуется какое-то время, пока появится их результат действия. Этим объясняется иннерционность систем, которую можно измерить, используя параметр постоянной времени. Но это, вообще говоря, не иннерционность, а транзиторная (проходящая) инертность объекта (рефрактерность), его неспособность отвечать на внешнее воздействие в определённые фазы своего действия. Истинная иннерционность объясняется независимостью результата действия от системы его произведшей (см. ниже).

Постоянная времени – это время между началом внешнего воздействия и готовностью к новому внешнему воздействию после выработки результата действия.

Аналогом составных СФЕ являются все объекты, которые действуют подобно лавине. В таких случаях работает «принцип домино». Было одно воздействие и всё падает. Но число падений равно числу СФЕ. Если толкнуть одну костяшку домино, от падения будет только один щелчок. Если толкнуть ряд стоящих костяшек домино, будет столько щелчков, сколько костяшек домино стояло в ряду.

Биологическим аналогом составных СФЕ являются, например, функциональные единицы вентиляции (ФЕВ), каждая из которых состоит из большой группы в нескольких сот альвеол, одновременно включающихся в процесс вентиляции или отключающихся от неё. Ацинусы в печени, сосудистые сегменты брыжжейки, лёгочные сосудистые функциональные единицы и пр. являются аналогами составных СФЕ.

Таким образом, простая СФЕ является объектом, который может реагировать на определённое внешнее воздействие, а результат её действия всегда максимальный, потому что блок управления не контролирует его, т.е., она работает по закону «всё или ничего». Тип её реакции обусловлен типом СФЕ. Есть два вида простой СФЕ – неуправляемая и управляемая. Обе они срабатывают от специфического внешнего воздействия. Но для срабатывания управляемой СФЕ дополнительно необходим ещё сигнал внешнего разрешения на входе уставки, а у неуправляемой СФЕ входа уставки нет. Поэтому неуправляемая СФЕ не зависит ни от каких внешних управляющих сигналов. Блок управления управляемой и неуправляемой СФЕ состоит из анализатора-информатора и имеет только ППС (информатор «Х» и афферентные пути).

Составная СФЕ является таким же объектом, как и простая СФЕ, но результат её действия усиленный. Она также работает по закону «всё или ничего» и её реакция обусловлена типом и числом её СФЕ. Вероятно, и составные СФЕ могут быть управляемыми и неуправляемыми, и различие между ними только в наличии входа уставки в общий блок управления, через который в него подаётся разрешение на выполнение действия. Блок управления системы тоже простейший, имеет только ППС и анализатор-информатор.

Следовательно, любые СФЕ функционируют по закону «всё или ничего». СФЕ так устроена, что она либо ничего не делает, либо выдаёт максимум результата действия. Её элементарный результат действия – либо он есть, либо его нет. Может быть СФЕ, которая выдаёт результат действия, например, в два раза больший, чем результат действия другой СФЕ. Но он всегда будет в два раза больший.

Каждый результат действия простой СФЕ является квантом действия (неделимой порцией), причём максимальным для данной СФЕ. Неделимым потому, что СФЕ не может выдать часть своего результата действия, например, половину. А раз «неделимой порцией», то не может быть градации. СФЕ может быть, например, открыта или закрыта, давать электрический ток, или не давать, секретировать что-либо или не секретировать, и т.д. Но она не может регулировать количество результата действия поскольку её результат всегда либо отсутствует, либо максимальный.

Такой режим работы очень грубый, не точный и не выгодный как для самой СФЕ, так и для её цели. Представим себе, что в нашем автомобиле вместо руля будет устройство, которое будет сразу максимально сворачивать вправо, если мы повернём руль направо, или максимально влево, если мы повернём налево. Вместо плавной и точной подстройки под заданный курс движения автомобиль будет резко метаться справа налево. И цель не будет достигнута, и автомобиль будет разрушен.

В принципе составная СФЕ могла бы дать градуированный результат действия, потому что у неё есть несколько СФЕ, которые она могла бы включать в разной последовательности. Но такая система не может сделать этого, потому что не «видит» свой результат действия и не может его сравнить с тем, что должно быть.

Дата добавления: 2014-01-07