А Степанов - Основы медицинской гомеостатики

ГОМЕОСТАТ (Homeostat) - структура управления материальными объектами, содержащая прямые, обратные и перекрестные связи, обеспечивающая в процессе своей работы поддержание гомеостаза, т.е. динамического постоянства 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 симметричный гомеостат с тремя контурами управления: основной, осуществляющий непосредственное управление; дополнительной адаптации; защитный. Информационные сигналы поступают на регулятор-руководитель и разделяется 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. Причем делается это очень "мудро": во всех режимах поддерживается гомеостаз и не допускается чтобы конкуренция между регуляторами-исполнителями перешла в конфликт, т.е. чтобы один из них начал подавлять другой. "Горячий резерв "вводится только для компенсации больших неожиданных 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 отношениях; в) выходная характеристика при союзнических отношениях.

Обозначения: Р3 - регулятор-руководитель; Р1,Р2 регуляторы-исполнители, находящиеся в конкурентных отношениях; R1, R2, R3 - три уровня отношений: R1 - между исполнителями и управляемым объектом, R2 - между исполнителями, R3 - между исполнителями и руководителем; О - объект регулирования; u1, u2 - управляющие сигналы с противоположно направленными знаками; y1, y2 - обратная связь от объекта регулирования на регуляторы-исполнители; y3 - обратная связь на регулятор-руководитель и выход сигнала на внешние структуры; Xs - входной сигнал; Ys - выходной параметр.

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.