Простой блок управления (отрицательная обратная связь)

Чтобы блок управления системы мог «увидеть» (почувствовать и измерить) результат действия системы, он должен иметь соответствующий рецептор «У» на выходе системы и линию связи между ним и рецептором «У» (реципрокный путь).

Логика работы такого управления заключается в том, что если результат действия больше заданного, то нужно его уменьшить, активировав меньшее число СФЕ, если меньше – то увеличить, активировав больше число СФЕ. Поэтому такая связь называется отрицательной. А так как информация движется обратно, от выхода системы в сторону её начала, она называется обратной. В итоге получается отрицательная обратная связь (ООС).

Рецептор «У» и реципрокный путь составляют ООС, а вместе с анализатором-информатором и эфферентными путями (стимулятором) составляют петлю ООС. В зависимости от потребности и на основе информации ОСС блок управления по мере необходимости включает или выключает функции управляемых СФЕ (рис. 8).

Рис. 8. Блок-схема системы с простым блоком управления. Отрицательная обратная связь.

Отличие данной системы от составной СФЕ только в наличии рецептора «У», который измеряет результат действия, и реципрокных путей, по которым информация передаётся с этого рецептора в анализатор. А – активна одна СФЕ, В – активны три СФЕ, С – активны все СФЕ. Число активных СФЕ определяется ОСС.

1 – рецептор "Х"; 2 – ППС.; 3 – ООС; 4 – неактивные СФЕ; 5 - рецептор «У» для измерения результата действия системы; 6 – активные СФЕ.

Следовательно, ООС реализуется с помощью петли ООС, которая включает в себя рецептор «У», реципрокный путь, по которым информация с рецептора «У» переносится в анализатор-информатор, сам анализатор и эфферентные пути, через которые решения блока управления передаются на эффекторы (управляемые СФЕ).

Таким образом, система, в отличие от СФЕ, содержит как ППС, так и ООС. Прямая управляющая связь активирует систему, а отрицательная обратная связь определяет число активированных СФЕ.

Например, если в лёгких будет будет открыто больше альвеолярных капилляров, чем есть альвеол с подходящим газовым составом, то артериализация венозной крови будет неполной, и нужно закрыть ту часть альвеолярных капилляров, которые «омывают» кровотоком альвеолы с неподходящим для газообмена газовым составом. Если их будет открыто меньше, будет перегрузка лёгочного кровообращения и давление в лёгочной артерии возрастёт и нужно открыть часть альвеолярных капилляров. В любом случае срабатывает информатор лёгочного кровообращения и блок управления решает, какую часть капилляров нужно открыть или закрыть. Отсюда, диффузионная часть сосудистого русла лёгких является системой, содержащей простой блок управления.

Рис. 9. Простой блок управления систем с ООС (А) и алгоритм его работы (В).

Цель системы - результат действия «Y» должен быть равен уставке «М» (Y=M). Действия системы для достижения цели осуществляют элементы исполнения. Блок управления следит за правильностью выполнения действий.

Блок управления, содержащий ППС и петлю ООС, является простым. Алгоритм работы простых блоков управления не отличается большой сложностью (рис. 9). Петля ООС постоянно отслеживает результат действия исполнительных элементов (СФЕ). Если результат действия получается больше, чем задано, нужно его уменьшить, если результат меньше заданного – нужно его увеличить. Через уставку задаются параметры управления («база данных»), например, каким должно быть соотношение между внешним воздействием и результатом действия, или какой уровень результата действия нужно постоянно удерживать и т.д. При этом максимальной точностью будет результат действия одной СФЕ (квант действия).

Системы с ООС, как и составные СФЕ, также содержат два типа объектов:

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

 блок управления (ППС и петля ООС)

Но блок управления системы кроме информатора «Х» также содержит и информатор «У» (ОСС). Поэтому у него есть информация и о внешнем воздействии, и о результате действия. Небольшое усложнение блока управления приводит к очень существенному результату. Причина усложнения – необходимость получения оптимально точного выполнения цели системы. ООС даёт возможность регуляции количества результата действия, т.е., система с ООС может оптимально выполнить любое необходимое действие, от минимума до максимума с точностью до одного кванта действия.

Вообще говоря, в любой реальной системе есть ещё и третий тип объектов: элементы обслуживания – вспомогательные элементы, без которых элементы исполнения не смогут работать. Например, у самолёта есть крылья для того, чтобы летать, но у него есть также и колёса, чтобы взлетать и садиться. Молекула гемоглобина содержит гем, который содержит 4 СФЕ (лиганды) и глобин – белок, который прямо не участвует в переносе кислорода, но без которого гем не сможет работать. Основной СФЕ системы внешнего газообмена является ФЕВ – функциональная единица вентиляции (функционально объединённая группа альвеол). Но без сервисных систем (системы вентиляции, распределения, очистки и кондиционирования воздуха и т.д.) ФЕВ не смогут нормально функционировать.

Мы слегка коснулись вопроса существования третьего типа объектов (элементов обслуживания) только для того, чтобы знать, что они всегда присутствуют в любой системе, но подробно рассматривать их функции мы не будем, чтобы не загромождать наши рассуждения. Отметим только, что они представляют такие же обычные системы с целью обслуживать другие системы.

Системы с ООС могут решать большинство задач намного лучше, чем простые или составные СФЕ. Наличие ООС почти не усложняет систему. Мы видели, что уже простая СФЕ является очень сложным образованием, включающим в себя множество компонентов. Составная СФЕ сложнее простой СФЕ на число раз, почти равное числу простых СФЕ в ней.

В системе с ООС добавляется всего лишь один рецептор и линия связи между рецептором и анализатором (реципрокный путь). Но эффект от такого изменения структуры блока управления очень большой и он зависит только от алгоритма работы блока управления. Любая СФЕ (простая и составная) может выполнить только минимум или максимум действия. Системы с ООС уже могут дать оптимум результата действия, от минимума до максимума, являются точными и стабильными. Их точность зависит только от величины кванта действия отдельной СФЕ и глубины ООС (см. ниже). Стабильность обусловлена тем, что система постоянно «видит» свой результат действия, может сравнивать его с должным и исправлять его, если есть расхождение. В реальных системах всегда есть причины для расхождения, потому что они существуют в реальном мире, где всегда есть возмущающие воздействия. Отсюда видно, что именно ООС превращает СФЕ в настоящие системы.

Каким образом блок управления управляет системой? Какие параметры его характеризуют? Любой блок управления характеризуется тремя параметрами ППС и столько же параметров петли ООС. Для ППС это:

· минимальным уровнем контролируемого входного воздействия (порог чувствиетльности)

· максимальным уровнем контролируемого входного воздействия (диапазон чувствительности входного воздействия)

· временем включения управления (временем принятия решения)

Для петли ООС это:

 минимальным уровнем контролируемого результата действия (порог чувствительности петли ООС - глубина ООС)

 максимальным уровнем контролируемого результата действия (диапазон чувствительности результата действия)

 временем включения управления (временем принятия решения)

Минимальный уровень контролируемого входного сигнала для ППС – это порог чувствительности сигнала рецептора «Х», начиная с которого анализатор-информатор распознаёт, что внешнее воздействие уже началось. Например, если рО₂ достигло 60 мм Hg, то должен быть открыт сфинктер (срабатывает 1 СФЕ), если меньше – закрыт. Любые значения рО₂, меньшие чем 60 мм Hg не приведут к открытию сфинктера, потому что они подпороговые. Следовательно, 60 мм Hg являются порогом срабатывания сфинктера.

Максимальный уровень контролируемого входного сигнала (диапазон) для ППС – это уровень сигнала о внешнем воздействии, при котором срабатывают все СФЕ. На дальнейшее увеличение входного сигнала система же не может реагировать увеличением своей функции, потому что у неё нет больше резервов СФЕ. Например, если рО₂ достигло 100 мм Hg, то должны быть открыты все сфинктеры (срабатывают все СФЕ). Любые значения рО₂, большие чем 100 мм Hg не приведут к открытию даполнительных сфинктеров, потому что они все уже открыты. Т.е., 60-100 мм Hg являются диапазоном срабатывания системы сфинктеров.

Время включения ППС – промежуток времени между началом внешнего воздействия и началом срабатывания системы. Система никогда не срабатывает мгновенно после появления внешнего воздействия. Пока рецепторы почувствуют сигнал, пока анализатор-информатор примет решение, пока эффекторы передадут управляющее воздействие на входы уставок исполнительных элементов, на всё это уходит время.

Минимальный уровень контролируемого выходного сигнала для ООС – это порог чувствительности сигнала рецептора «У», начиная с которого анализатор-информатор распознаёт, что есть расхождение между результатом действия системы и его должной величиной. Расхождение должно быть равно или больше кванта действия одиночной СФЕ. Например, если должен быть открыт один сфинктер и кровоток должен быть минимальным (один квант действия), а на самом деле открыто два сфинктера и кровоток в два раза больше (два кванта действия), то рецептор «У» должен почувствовать лишний квант. Если он может это сделать, то его чувствительность равна одному кванту. Чувствительность определяется глубиной ООС.

Глубина ООС – это число квантов действия одиночных СФЕ системы, сумма которых распознаётся как расхождение между актуальным результатом действия и должным. Задаётся уставкой. Максимально большой глубиной ООС является чувствительность расхождения в один квант действия одиночной СФЕ. Чем меньше глубина ООС, тем меньше чувствительность, тем она более «грубая». Т.е., чем меньше глубина ООС, тем большее расхождение результата действия с должным воспринимается как расхождение. Например, уже два (три, десять и т.д.) кванта действия двух (трёх, десяти и т.д.) СФЕ воспринимается как расхождение. Минимальной глубиной ООС является её отсутствие. В этом случае любое расхождение результата действия с должным не воспринимается блоком управления как расхождение. Результат действия будет максимальным и система с простым блоком управления с нулевой глубиной ООС превращается в составную СФЕ с ППС (с простейшим блоком управления).

Например, система микроциркуляции БКК в тканевых капиллярах должна держать среднее давление 100 мм Hg с точностью до 1 мм Hg. При этом среднее артериальное давление может колебаться от 80 до 200 мм Hg. Величина «100 мм Hg» определяет уровень контролируемого результата действия. Величина «от 80 до 200 мм Hg» диапазон контролируемого внешнего (входного) воздействия. Величина «1 мм Hg» определяется глубиной ООС. Меньшая глубина ООС будет контролировать параметр с меньшей точностью, например с точностью до 10 мм Hg (более грубо) или 50 мм Hg (ещё грубее), а большая глубина ООС – с большей точностью, например с точностью до 0.1 мм Hg (более тонко). Максимальная чувствительность ООС ограничена величиной кванта действия СФЕ, входящих в состав системы и глубиной ООС. Но в любом случае если происходит расхождение уровня контролируемого параметра с заданным более, чем на величину заданной точности, петля ООС должна «почувствовать» это расхождение и «заставить» исполнительные элементы действовать таким образом, чтобы расхождение цели и результата действия исчезло.

Максимальный уровень контролируемого выходного сигнала (диапазон) для ООС – это уровень сигнала о результате действия системы, при котором срабатывают все СФЕ. На дальнейшее увеличение входного сигнала система же не сможет реагировать увеличением своей функции, потому что у неё нет больше резервов СФЕ.

Время включения управления ООС – промежуток времени между началом расхождения сигнала о результате действия с целевым и началом срабатывания системы.

Все эти параметры могут быть «встроены» в ППС и в петли ООС либо изначально (уставка вводится при их «рождении») и в дальнейшем они уже не меняются. Либо могут быть введены с уставкой позже и эти параметры можно менять путём ввода извне новой уставки. Для этого должен быть канал ввода уставки. Сам же простой блок управления сам не может менять ни один из этих параметров.

Абсолютно у всех систем есть блок управления, но не всегда его можно явно обнаружить. У самолёта или космического корабля этим блоком является бортовой компьютер – коробка с электроникой. У человека и других животных таким блоком является головной мозг, или как минимум – нервная система. Но где блок управления у растения, или у бактерии? Где блок управления у атома или молекулы, или, например, блок управления у гвоздя?

Чем проще система, тем труднее выделить в нём привычные для нас формы блока управления. Но он есть в любых системах. Элементы исполнения отвечают за качество результата дейсвтия, а блок управления – за его количество. Блоком управления могут быть, например, внутри- или межатомные и межмолекулярные связи. Так в атоме функции СФЕ выполняют электроны, протоны и нейтроны, а блок управления– внутриядерные силы, или, как ещё говорят, взаимодействия.

Внутриатомной уставкой, например, является условие, что на первом электронном уровне может быть не более 2 электронов, на втором – 8 электронов и т.д. (периодический закон, определяемый принципом Паули), причём этот уровень жестко задан квантовыми числами. Если электрон каким-то образом получил добавочную энергию и поднялся выше своего уровня, то он не сможет её долго удерживать и опустится обратно, испустив излишек энергии в виде фотона. Причём не любая энергия может поднять электрон на другой уровень, а только и только определённая (соответствующий квант энергии). И поднимается он не на любой уровень, а только на строго заданный. Если энергия внешнего воздействия будет меньше соответствующего кванта, система стабилизации уровня электрона будет удерживать его на прежней орбите (в прежнем состоянии) до тех пор, пока энергия внешнего воздействия не превысит соответствующий уровень. Если же энергия внешнего воздействия будет всё время линейно нарастать, то электрон будет подниматься с уровня на уровень не линейно, а перескакивать скачками, которые строго определены квантовыми законами, на всё более высокие орбиты, как только энергия воздействия превысит определённые пороговые уровни. Число уровней орбиты электрона в атоме, вероятно, очень большое и равно числу спектральных линий соответствущего атома, но каждый уровень строго фиксирован и определён квантовыми законами. Следовательно, какой-то механизм (система стабилизации квантовых уровней) строго следит за выполнением этих законов, и у этого механизма должны быть свои СФЕ и блоки управления. Число уровней орбиты электрона, вероятно, определяется числом внутриядерных СФЕ (протонов и нейтронов или же других элементарных частиц), результатом действия которых является положение электрона на электронной орбите.

Например, у гвоздя уставкой, являются его форма и геометрические размеры. Эта уставка вводится в блок управления однократно в момент изготовления гвоздя, когда отмеряются его размеры (в момент его «рождения»), и больше уже не вводится. Но когда уставка уже введена, то система должна выполнять эту уставку, т.е., в данном случае гвоздь должен держать форму и размеры, даже если по нему бьют молотком. В любых типах блока управления в какой-то момент должна быть введена уставка тем или иным образом. Мы не можем изготовить гвоздь «вообще», а только конкретной формы и заданных размеров. Поэтому, в момент его изготовления (т.е., однократно) мы «задаём» ему задание быть такой-то формы и размеров.

Уставка может меняться, если есть канал ввода уставки. Например, при включении кондиционера воздуха, мы можем «задать» ему держать температуру воздуха 20°С, а затем поменять уставку на 25°С. У гвоздя нет канала ввода уставки, а у кондиционера есть.

Таким образом, система с простым блоком управления является объектом, который может реагировать на определённое внешнее воздействие, а результат её действия градуированный и стабильный. Число градаций определяется числом СФЕ в системе, а точность – квантом действия одиночной СФЕ и глубиной ОСС. Результат действия точный потому, что блок управления контролирует его с помощью ООС. Тип управления – по рассогласованию. Управление начинается только после появления внешнего воздействия или результата действия. Стабильность результата действия определяется глубиной ООС. Реакция системы обусловлена типом и числом её СФЕ.

У простого блока управления есть три канала управления – один внешний (уставка) и два внутренних (ППС и ООС). Он реагирует на внешнее воздействие через ППС (информатор «Х») и на собственный результат действия системы (информатор «У») через ООС, а через эфферентные пути управляет исполнительными элементами системы.

Аналогом систем с простым блоком управления являются все объекты неживого мира – газовые облака, кристаллы, различные твёрдые тела, планеты, планетарные и звёздные системы и т.д.

Биологическим аналогом систем с простым блоком управления являются одно- и многоклеточные растения, бактерии и все вегетативные системы организма, включая, например, систему внешнего газообмена, систему кровообращения, систему обмена метаболических газов, систему пищеварения или иммунную систему.

Одноклеточные животные организмы типа амёб и инфузорий, низшие классы животных (медузы и пр.) уже являются системами с сложными блоками управления (см. далее).

Все вегетативные и многие двигательные рефлексы высших животных, срабатывающие на всех уровнях, начиная с интрамуральных нервных ганглиев и вплоть до гипоталамуса, построены по типу простых блоков управления. Если же на них оказывается управляющее влияние коры головного мозга, то появляются рефлексы более высокого типа – сложные рефлексы (см. ниже).

Аналогом рецепторов информатора «Х» являются все чувствительные рецепторы (хемо-, баро-, термо- и прочие рецепторы, расположенные в различных органах, кроме зрительных, слуховых и обонятельных рецепторов, которые входят в состав информатора «С», см. далее).

Аналогом рецепторов информатора «У» являются все проприо-чувствительные рецепторы, которые также могут быть хемо-, баро-, термо- и прочими рецепторами, расположенные в различных органах.

Аналогом стимуляторов блока управления являются все двигательные и эффекторные нервы, стимулирующие поперечно-полосатую, гладкомышечную мускулатуру и секреторные клетки, а также гормоны, протогландины и прочие метаболиты, оказывающие какое-либо влияние на функцию каких-либо систем организма.

Аналогом анализатора-информатора в минеральном и растительном мирах являются только связи между элементами по типу прямого соединения информаторов «X» и «У» с эффекторами (аксон-рефлексы). В вегетативных системах животных – также по типу типу прямого соединения информаторов «X» и «У» с эффекторами (гуморальная и метаболическая регуляция), по типу аксон-рефлекса (управляют только веточки нерва без участия самой нервной клетки) и по типу безусловных рефлексов (на уровне внутриорганных интрамуральных и других нейронных образований вплоть до гипоталамуса).

Таким образом, используя ППС и ООС и регулируя работу своих СФЕ система продуцирует свои результаты действия, качественно и количественно соответствующие заданной цели.

Дата добавления: 2014-01-07