Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Если классические методы теории управления достаточно хорошо известны специалистам, работающим в области биологических применений кибернетики, в том числе и специалистам-биологам и физиологам по вышедшим на русском языке в середине 1960-х гг. монографиям Ф. Гродинза и Дж. Милсума [60, 130], то разработанные к началу 1970-х гг. в теории управления методы пространства состояний до сих пор малоизвестны широким кругам специалистов, интересующихся медико-биологическими применениями теории управления.
Метод пространства состояний требует использования матричного способа описания и исследования систем, с которым знакомы сейчас далеко не все специалисты, работающие в этой области. Поэтому описание метода пространства состояний в книге сопровождается изложением элементарных основ теории матриц. Впрочем, изложение теории матриц включается и в книги по методу пространства состояний, написанные для инженеров. В этой же части обсуждается и проблема оптимальности (гл. 4)—концепция, целиком пришедшая в биологию из кибернетики и теории систем, разбираются ее основные черты и особенно пределы применимости.
Гл. 6 посвящена теории компартментальных моделей.
Вторая часть книги, начиная с седьмой главы, посвящена собственно анализу сохранительных свойств живых систем. Анализ этих свойств проводится с применением метода пространства состояний, который, по-видимому, наиболее приспособлен для исследования целостных характеристик биосистем. Эффективность применения этого метода для анализа живых систем определяется двумя обстоятельствами. Прежде всего при использовании методов пространства состояния происходит
отказ от привычных для кибернетических публикаций 1960-х годов категорий «черного ящика», когда исследователь судит о системе только на основе двух классов сигналов, входов и выходов системы, и не интересуется процессами внутри системы. Новые методы вместо терминов «вход — выход» дают анализ системы в терминах «вход — выход — состояние». Именно введение в рассмотрение понятия состояния — описания «внутреннего» поведения системы при данных входах и выходах — и позволяет расширить биологические применения методов теории управления.
Второе обстоятельство, позволяющее более широко применять метод пространства состояний для анализа многокомпонентных биологических систем, состоит в том, что используемые в нем матричные методы описания систем в равной степени применимы к линейным системам как малой, так и большой размерности.
Во второй части метод цространства состояний используется для анализа сохранительных свойств биосистем на организмен-ном уровне, в основном — для физиологических систем. Хотя разработанные методы в принципе применимы и для анализа других уровней организации живого, их конкретное использование для биосистем других типов требует учета особенностей биосистем — своеобразия их структуры и функционирования, наличия специфических целей систем и механизмов управления на популяционном, экологическом и биохимическом уровнях. Разнообразие биосистем на разных уровнях организации жизни — при всем несомненном их сходстве — не позволило автору провести такого исследования.
Даже на организменном уровне анализ тех или иных систем и структур открывает пе,ред исследователем практически неограниченное поле деятельности. Так, в отдельную ветвь давно выделилось исследование принципов и механизмов управления движениями. Другую не менее мощную ветвь составляет изучение моделей нервной системы — нейронов, нейронных систем и структур. Эти важнейшие направления исследований на организменном уровне остаются за рамками изложения в этой книге, в которой внимание читателя концентрируется на «вегетативном» уровне процессов регулирования и управления в организме. Это — низший этаж процессов самосохранения, связанный со снабжением организма, его систем и органов веществами и энергией и с поддержанием постоянства условий жизнедеятельности во внутренней среде организмов — гомеостаза.
Конечно, и механизмы высшего уровня (в частности, поведенческие реакции животного организма) участвуют в поддержании гомеостатического режима организма, накладываясь
на механизмы вегетативного уровня. По словам К. Вилли [38], мотивированное поведение служит ответом на то или иное нарушение гомеостаза. Изучение взаимодействия вегетативных механизмов управления и механизмов, связанных с процессами в коре головного мозга животного организма, также осталось за пределами изложения.
В гл. 7 обсуждаются вопросы моделирования сохранительных свойств биологических систем в рамках классической теории управления и с использованием метода пространства состояний. Главная мысль этой главы состоит в том, чтобы продемонстрировать единство открытого характера живых систем и их гомеостатических свойств. Единая система управляющих механизмов в целостной биосистеме может, как показано в этой главе, не только поддерживать стационарный режим в открытой системе, но при определенных условиях обеспечивать и ее гомеостаз. Этот результат позволяет по-новому подойти к взглядам Л. фон Берталанфи, противопоставлявшего теорию открытых систем и кибернетические методы описания гомеостаза.
