Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
“шах=“1-ПРИ “шах>“1 в снстеме возникает колебательный переходный процесс, при «тах < ui ~ апе* риодический; в обоих случаях быстродействие падает, а время окончания процесса Т > ^min.
управления. Термин же «адаптация» взят теорией управления из биологии [169а, 237]. В биологии этим термином обозначается любое приспособление организма к условиям существования. Поэтому непосредственное применение столь широкого термина к системам управления неудобно, так как любая, даже самая простая, система с обратной связью обладает способностью автоматически приспосабливаться к изменению внешних условий. В результате в теории управления относят к, адаптивным системам только те, которые автоматически приспосабливаются к непредвиденным изменениям параметров объекта и внешней среды [46, часть III].
В наиболее простом случае адаптация системы управления к изменениям внешних условий или параметров объекта состоит
в том, что в ответ на эти изменения в системе происходит изменение параметров регулятора, направленное на сохранение работоспособности и качества системы. Для этого в систему управления, кроме основного контура, вводится дополнительная цепь адаптации (рис. 4.2). Совокупность изменяемой части основного контура и цепи адаптации называется адаптивным регулятором. Обычно цепь адаптации характеризуется более медленным протеканием процессов, чем основной контур управления. Так как рассмотренная выше в разд. 3.5 параметрическая обратная связь имеет структуру, аналогичную приведенной схеме, то любая модель биосистемы, включающая хотя бы одну параметрическую обратную связь, является в терминах теории управления адаптивной системой.
В публикациях по использованию теории управления в биосистемах имеется тенденция считать адаптивные системы чем-то вроде усовершенствованных оптимальных систем, когда дополнительный контур адаптации (самонастройки, приспосабливания) появляется только в оптимальных системах. Такая тенденция является ошибочной. Адаптивность, вообще говоря, никак не связана с оптимальностью; это — две самостоятельные характеристики систем управления. Адаптация дает улучшение качества системы, но не обязательно приводит к «идеалу» — оптимальной системе. Однако в теории управления адаптация
Рнс. 4.2. Простая адаптивная система управления. Кроме основного контура с отрицательной обратной связью, включающего регулятор Р и объект О, в системе имеется дополнительная цепь адаптации. Адаптивное устройство измеряет входные и выходные переменные системы и на основании их анализа меняет параметры регулятора, поддерживая работоспособность и качество системы.
и в самом деле часто используется именно как средство достижения оптимальности в заранее неизвестных условиях [237,238].
Достижение хорошего качества процессов в системе (или даже оптимальности) за счет адаптации обычно связано с включением в систему дополнительных более или менее сложных устройств переработки информации. Поэтому сложные адаптивные системы могут служить адекватной моделью адаптивного поведения достаточно высокоорганизованных живых организмов, которые могут с помощью хорошо развитого аппарата обработки информации производить оценку вероятностных характеристик внешней среды и реагировать в соответствии с этими оценками. В живых системах надорганизменного и суборганиз-менного уровня процессы адаптации должны протекать на более простом в смысле алгоритмического обеспечения уровне. Одним из простейших возможных механизмов адаптации является использование параметрических обратных связей.
Адаптивное поведение у живых организмов, осуществляемое при помощи параметрической обратной связи, рассматривается, в частности, в книге Р. Розена [175, гл. 11]. Адаптивный характер поведения системы при этом означает, что если ее реакция на данное воздействие не является предпочтительной, то в системе постепенно происходят такие изменения, которые позволяют достичь предпочтительного состояния. В нелинейных биологических системах адаптация осуществляется за счет того, что характеристики отдельных звеньев системы начинают меняться в зависимости от значений выходного сигнала системы (или каких-либо внутренних сигналов).
Интересно, что Р. Розен, развивая идею оптимальности биологических систем, невольно наталкивает здесь читателя на «еретическую» мысль — вместо того, чтобы создавать сложные оптимальные конструкции и алгоритмы, биосистеме достаточно иметь простые механизмы типа параметрической обратной связи и, адаптируясь к условиям среды, достигать тех же внешних характеристик поведения, что и в оптимальной системе, но более простыми и надежными, хотя и более энергоемкими, способами. Оптимальность и адаптация при этом оказываются двумя различными и даже конкурирующими вариантами достижения одной цели — получения предпочтительного поведения биосистемы.
4.3. Концепция оптимальности биосистем
До проникновения в биологию кибернетических представлений и методов теории управления термины оптимум, оптимальность применялись в различных биологических дисциплинах для обозначения наиболее благоприятных условий обитания,
