Следующий важный шаг в развитии гомеостатики внес С. Бир. Он указал
на два новых принципиальных момента: иерархический принцип построения
гомеостатических структур для управления сложными объектами и принцип
живучести. Бир сделал определенные попытки по использованию некоторых
гомеостатических принципов при практической разработке организационных
структур управления, где пытался провести некоторые кибернетические ана-
логии между живой системой и сложным производством [11].
В дальнейшем было несколько этапов развития, подъемов и спадов. Здесь
можно выделить такие направления исследований, проводившихся "под фла-
гом" гомеостаза, как физиологические и морфологические (Р.Харди [137],
Г.Н.Кассиль [60], В.М.Дильман [42], Д.С.Саркисов [105] и др.); модельные
с использованием классических методов теории автоматического регулирова-
ния (В.Н.Новосельцев [89] и др.).
Качественно новый этап в развитии этого направления наступил после
опубликования идей и формальной модели гомеостата отечественным ученым
Ю.М.Горским [33] в начале 80-х годов.
Как пишет Ю.М.Горский [34], толчком к созданию новых взглядов и ново-
го концептуального уровня рассмотрения явлений природы явилась беседа
его с Гансом Селье. Критикуя существующие методы моделирования управле-
ния в живом за то, что они не рассматривают антагонистических отношений
между частями живого, Г.Селье сказал примерно следующее: "...если удаст-
ся включить в модели, отражающие работу живых систем, противоречия, да
еще при этом понять, почему природа, создавая живое, пошла по такому пу-
ти, - это будет новым прорывом в тайны живого с большим практическим вы-
ходом".
Можно считать, что в определенной степени это завещание Г.Селье вы-
полнено: такая модель гомеостата разработана и выявлены ее основные
свойства, интенсивно изучаются природные способы реализации единства и
противоположности отношений внутри естественных систем.
Началом формирования гомеостатики можно считать создание Ю.М.Горским
и В.И. Астафьевым постоянно действующего семинара "Гомеостатика живых и
технических систем", который в дальнейшем был прикреплен к Совету по ав-
томатизации научных исследований при Президиуме АН СССР в настоящее вре-
мя как международный семинар.
Работы ведутся в пяти основных направлениях:
- философско-методологические и системные вопросы гомеостатики;
- медико-биологические аспекты гомеостазиса;
- рефлексотерапия и восточная медицина с позиций гомеостатики;
- использование принципов гомеостатического управления в технических
задачах и в искусственном интеллекте;
- природные и экономические аспекты гомеостаза.
В настоящее время накопился колоссальный фактологический материал,
описывающий различные проявления гомеостаза в живых, технических, соци-
альных и экологических системах. Он требует изучения и рассмотрения с
единых методологических позиций, которые сформулированы в формальном ап-
парате общей гомеостатики.
Задачей настоящей работы является осмысление некоторых биологических
и медицинских закономерностей с точки зрения гомеостатического функцио-
нирования живого как единого проявления формы движения материи.
Ниже, в двух последующих главах изложены основные понятия аппарата
общей гомеостатики, модель гомеостата и ее свойства, которые были разра-
ботаны отечественным ученым Ю.М. Горским и изложены в монографиях, мно-
гочисленных публикациях заседаний школы-семинара по гомеостатике, конфе-
ренциях, международных симпозиумах и конгрессах. Для удобства восприятия
специалистов, не имеющих достаточной математической и физической подго-
товки, автор избегает приводить сопровождающие текст формулы и фор-
мальные выражения тех или иных понятий и их взаимосвязей. Читателям, ин-
тересующимся более глубоким проникновением материала, рекомендую два ос-
новных источника: Ю.М. Горский "Системно-информационный анализ процессов
управления".-Новосибирск: Наука, 1988. -327 с. и коллективная монография
"Гомеостатика живых, технических, социальных и экологических сис-
тем".-Новосибирск: Наука, 1990. -350 с.
ПОНЯТИЙНЫЙ АППАРАТ ОБЩЕЙ ГОМЕОСТАТИКИ
Важнейшим понятием гомеостатики является ГОМЕОСТАТ, который служит
механизмом поддержания динамического постоянства функционирования систе-
мы в заданных пределах. Гомеостат - это базисное функциональное понятие
механизма переработки информации. Он реализуется на различных матери-
альных носителях.
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-
