Общая теория систем и системный анализ

? 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.

Принцип независимости результата действия.

Как уже неоднократно подчеркивалось, целью любой системы является получение должного (целевого) результата действия, который получается после действий системы. Фактически внешнее воздействие, «войдя» в систему преобразуется в результат действия системы. Поэтому системы фактически являются преобразователями внешнего воздействия в результат действия, причины в следствие. А внешнее воздействие является результатом действия другой системы, которая взаимодействовала с данной. Следовательно, результат действия, «выйдя» из одной системы и «войдя» в другую, существует уже независимо от системы его породившей.

Например, у строительной фирмы была цель из определённого количества строительного материала (внешнее воздействие) построить дом. После ряда действий этой фирмы дом оказался построен (результат действия). Далее фирма могла перейти к строительству другого дома, прекратить свое существование или переквалифицироваться в из строительной в пошивочную фирму. Но построенный дом уже будет существовать независимо от построившей его фирмы.

Целью автомобильного мотора (подсистемы автомобиля) является сжигание определённого количества горючего (внешнее воздействие для мотора) для получения определённого количества механической энергии (результат действия мотора). Целью ходовой части (другой подсистемы автомобиля) является преобразование механической энергии мотора (внешнее воздействие для ходовой части) в определённое количество оборотов колёс (результат действия ходовой части). Целью колёс является преобразование определённого числа их оборотов (внешнее воздействие для колёс) в пройденные километры пути (результат действия колёс). В целом, результатом действия автомобиля будут пройденные километры пути, которые уже будут существовать независимо от проехавшего по ним автомобиля.

Результатом действия возбуждённого электрона будет выпущенный из атома фотон, который может бесконечно блуждать по просторам Вселенной на протяжении многих миллиардов лет. Результатом шлепка весла о воду является ямка на воде, которая также могла бы остаться на века, если бы не текучесть воды и не воздействие на неё тысяч других внешних воздействий. Однако после тысячи воздействий она останется уже не в виде ямки, а в виде другой длинной цепи результатов действий других систем, потому что ничто в этом мире не исчезает, а переходит в другие формы. Закон сохранения нерушим.

Циклы системы и переходные процессы.

У систем, как и у СФЕ, также есть циклы их деятельности. У разных систем могут быть разные циклы деятельности и они зависят от сложности и алгоритма блока управления. Самый простой цикл работы у системы с простым блоком управления. Он складывается из микроциклов (рис. 10):

? восприятие, селекции и измерения внешнего воздействия рецептором «X»

? выбор из «базы данных» должного значения результата действия

? переходный процесс (мультимикроцикл ООС)

a. восприятие и измерение результата действия рецептором «Y»

b. сравнение этого результата с с должной величиной

c. выработка решения и соответствующего воздействия на СФЕ с целью коррекции результата действия

d. воздействие на СФЕ если результат действия не равен должному, или переход к 1-му микроциклу, если он равен должному

e. срабатывания СФЕ

f. возврат к «а»

После начала внешнего воздействия срабатывает рецептор «X» (1-й микроцикл). Затем из «базы данных» выбирается то значение результата действия, которое должно соответствовать данному внешнему воздействию (2-й микроцикл). После этого начинается переходный процесс (переходный период, 3-й мультимикроцикл, цикл ООС): срабатывание рецептора «Y», сравнение результата действия с должной величиной, выбранной в «базе данных», корректирующее воздействие на СФЕ (включаются то число СФЕ, которое определил блок уравления в микроцикле «с») и снова возврат к срабатыванию рецептора «Y». И так до тех пор, пока результат действия не будет равным данному. С этого момента цель достигнута и после этого блок управления возвращается к 1-му микроциклу, к рецепции внешнего воздействия. Деятельность же системы для выработки результата действия прекращается до тех пор, пока не появится новое внешнее воздействие.

Рис. 10. Полный цикл действия идеальной системы и алгоритм её работы. На верхней кривой - внешнее воздействие, на нижней - график функции системы. Цифрами (1. 2, 3) указаны микроциклы системы.

a - внешнее воздействие, на которое система начинает реагировать; b - внешнее воздействие, на которое система не реагирует, потому что находится в рефрактерном состоянии (не может активировать свои СФЕ, потому что не измеряет Х); с - длительное внешнее воздействие, на которое система реагирует (пунктиром показана реакция системы, если бы длительность внешнего воздействия была прежней); d - переходный мультицикл системы; е - установившееся значение функции; f - заданное значение результата действия системы; g - полный цикл действия системы.

1 - восприятие и селекция внешнего воздействия рецептором «X» после начала внешнего внешнего воздействия; 2 - выбор из «базы данных» должного значения результата действия; 3 - мультимикроцикл ООС; 4 - время установившегося целевого уровня функции; 5 - прекращение функции.

К выше сказанному следует добавить очень существенное дополнение. При рассмотрении циклов срабатывания СФЕ уже указывалось, что после срабатывания любой СФЕ она полностью расходует свой запаса энергии, предназначенный для производства действия. Поэтому после завершения действия СФЕ не способна совершать новое действие до тех пор, пока она не восстановит свой энергетический потенциал, а на это уходит дополнительное время, которое может существенно увеличить длительность переходного периода. Поэтому у спортсмена, у которого система доставки кислорода в ткани велика (большая скорость поставки энергии), скорость движения тела, например, бега, также велика. А у сердечного больного скорость движения тела низкая, потому что скорость поставки энергии снижена из-за поражения системы кровообращения, которая входит в состав системы энергоснабжения организма. У больных много времени уходит на восстановление энгергетического потенциала мышечных клеток из-за замедленной продукции АТФ, требующей много кислорода.

Микроциклы с 1-го по 2-й составлят стартовый период работы блока управления. Если было короткое внешнее воздействие, блок управления определяет его во время стартового цикла и переходит к переходному периоду (d на рис. 10), во время которого стремится получить актуальный результат действия, равный должному. Если во время переходного периода снова появится внешнее воздействие (b на рис. 10), то блок управления не прореагирует на него, потому что в этот момент он не измеряет «Х» (рефрактерная фаза). По окончании переходного периода блок управления вновь обращается к стартовому периоду, но пока он это делает (обращается), достигнутое должное значение результата действия сохраняется неизменным (установившийся период).

Если внешнее воздействие достаточно длительно и не менется, так что после первого достижения цели блок управления успевает вновь обратиться к рецепции «Х», то установившееся значение результата действия будет сохраняться до тех пор, пока будет продолжаться внешнее воздействие. При этом переходного цикла не возникнет, потому что установившееся значение результата действия равно должному.

Если длительное внешнее воздействие будет продолжаться и менять свою амплитуду, то возможно появление нового переходного цикла. Причём амплитуда колебаний функции будет тем больше, чем больше изменение амплитуды внешнего воздействия. Поэтому резкие перепады амплитуды внешнего воздействия недопусимы, потому что они вызывают различны нежелательные эффекты, связанные с переходным периодом рис. 11).

Если внешнее воздействие будет равно нулю, то все СФЕ дезактивируются, потому что нулевому внешнему воздействию соответствует нулевая активация СФЕ.

Если спустя некотрое время появится новое внешнее воздействие, то система повторит всё в прежнем порядке.

На длительность цикла работы системы также существенное влияние оказывают процессы восстановления энергетического потенциала сработавших СФЕ. Каждая СФЕ при своём срабатывании затрачивает определённое (квантованное) количество своей энергии, которая либо привносится самим внешним воздействием, либо накапливается какими-либо подсистемами энергоснабжения данной системы. В любом случае восстановление энергетического потенциала также требует времени, но эти процессы мы не рассматриваем, потому что эти процессы касаются только элементов исполнения (СФЕ), а мы рассматриваем только процессы, происходящие в блоках управления систем.

Так система постоянно циклически работает, выполняя свои микроциклы. Если нет внешнего воздействия или оно не меняется, то система находится на одном из своих стационарных уровней в одном и том же функциональном состоянии с одним и тем же числом функционирующих СФЕ, от нуля до всех. В таком режиме у неё нет переходного мультимикроцикла (длительного повтора 3-го микроцика).

Рис. 11. График функции системы при меняющемся уровне внешнего воздействия.

При каждом изменении уровня внешнего воздействия возникают переходные процессы. Переход функции на новый уровень становится возможным лишь после того, когда система готова это сделать.

У разных систем подобные микроциклы могут отличаться в деталях, но у всех без исключения систем есть мультимикроцикл ООС. При всех достоинствах ООС у неё есть очень существенный недостаток - наличие переходных процессов. Выраженность переходных процессов зависит от очень многих факторов. Она может быть от минимальной до максимальной, но переходные процессы всегда есть у всех систем в той или иной степени выраженности. Они неустранимы принципиально, потому что ОСС срабатывает уже после появления результата действия системы. Пока аффекторы системы почувствуют рассогласование, пока блок управления примет соответствующее решение, пока эффекторы исполнят это решение, пока ООС измерит результат действия и подправит решение, и пока этот процесс повторится несколько раз до тех пор, пока не будет получено нужное соотношение «...внешнее воздействие > результат действия...», пройдёт некоторое время. Поэтому в это время могут возникнуть всякие неожидаемые нелинейные переходные процессы, нарушающие нормальный режим работы системы. Поэтому при первом «включении» системы в действие или при резкой смене нагрузки ей нужен достаточно длительный период установления. И даже в установившемся режиме из-за различных случайных флюктуаций во внешней среде может быть небольшой сбой в работе ООС и могут появляться небольшие переходные процессы («шум» результата действия реальной системы).

Наличие переходных процессов накладывает определённые ограничения на работу и область использования систем. Медленные иннерционные системы не подходят для быстрых внешних воздействий, потому что быстродействие систем в первую очередь определяется быстродействием петли ООС. Да, быстродействие исполнительных элементов является основой быстродействия системы в целом, но мультимикроцикл ООС вносит свою существенную долю в удлинение цикла работы системы. Поэтому при выборе нагрузок на живой организм необходимо учитывать быстродействие системы и подбирать скорость нарастания нагрузок таким образом, чтобы выраженность переходных процессов была наименьшей.

Чем медленнее меняется внешнее воздействие, тем меньше переходный процесс (рис. 12). При достаточно медленном изменении внешнего воздействия переходный период становится практически незаметным. Следовательно, если внешнее воздействие меняется, то в зависимости от скорости этого изменения и от быстродействия элементов системы длительность переходного периода может быть от нуля до максимально возможного.

Рис. 12. Переходные процессы.

Переходный процесс - это процесс перехода с одного уровня функционального состояния на другой. Чем «мельче» ступеньки перехода с одного уровня на другой, тем меньше амплитуда переходных процессов (А и В). При плавном изменении нагрузки нет переходных процессов (С).

Выраженность переходных процессов зависит от калибра СФЕ, силы внешнего воздействия, от времени зарядки энергией СФЕ, от чувствительности рецепторов, от времени их срабатывания, от глубины ОСС и от алгоритма работы блока управления. Но эти циклы работы систем и переходные процессы есть и внутри атомов, и в электронных схемах, и в планетарных системах, и во всех остальных системах, наполняющих наш Мир, включая организм человека.

Если бы у систем не было переходных процессов, то время переходного периода всегда было бы равно нулю и системы были бы абсолютно безинерционными. Но таких систем нет и любой системе присуща инерционность в той или иной степени. Например, в электронике наличие переходных процессов порождает дополнительные гармоники колебаний электрического тока в различных усилителях или генераторах тока. Для их подавления применяются изощренные схемные решения, но они есть в любых электронных приборах, хотя и значительно подавленные.

Постоянная времени систем с простыми блоками управления включает постоянные времени каждой СФЕ плюс непостоянные длительности переходных периодов ООС. Поэтому постоянная времени таких систем не совсем постоянная, потому что длительности переходных периодов ООС могут меняться в зависимости от силы внешнего воздействия. Переходные процессы в системах с простыми блоками управления увеличивают иннерционность таких систем.

Инерционность систем приводит к различным фазовым нарушениям синхронизации и баланса взаимодействия между системами. Бороться с переходными процессами можно очень многими способами. Можно фильтровать внешние воздействия таким образом, что бы не было резких ударных воздействий (фильтрация, принцип постепенности нагрузки). Если заранее знать характер внешних воздействий, предвидеть их, для чего нужно их сначала увидеть, что под силу как минимум только сложным блокам управления, то можно построить такой соответствующий алгоритм работы блока управления, чтобы 3-й микроцикл сразу нашел верное решение (управление по упреждению). Но это подсильно только лишь интеллектуальным блокам управления. Полностью избавиться от инерционности систем, нам пока, видимо, не удаётся.

Поэтому если внешнее воздействие не меняется и переходные процессы практически равны нулю, то система циклически и ровно работает на одном из своих стационарных уровней. Или гладко переходит с одного стационарного уровня на другой, если внешнее воздействие меняется, но достаточно медленно. Если переходные процессы становятся ощутимыми, то циклы работы системы становятся неравными из-за появления переходных мультимикроциклов - времени переходных процессов. Нелинейные эффекты при этом снижают эффективность работы системы.

В нашей обыденной жизни мы часто сталкиваемся с переходными процессами, когда совершенно неподготовленные выходим из тёплой комнаты на холод и получаем простуду. В тёплой комнате все системы нашего организма были в определённом балансе своих взаимодействий и всё было нормально. Но вот мы вышли на холод и все системы должны сразу же перестроиться на новый баланс. Если они не успевают это сделать, если возникают слишком сильные переходные процессы, при которых появляются неожидаемые флюктуации результатов действий систем организма, то возникает дисбаланс взаимодействий систем, который мы называем простудой (здесь мы не уточняем частности, связанные с изменением состояния иммунной системы). Спустя некоторое время дисбаланс ликвидируется и простуда проходит. Если мы будем закаляться, то сможем научить наши «блоки управления», как предвидеть резкие удары внешних воздействий, чтобы уменьшить переходные процессы, тогда мы сможем даже купаться в проруби.

Особое значение для нас имеют переходные процессы, возникающие при резкой смене ситуации вокруг нас. Стресс-синдром прямо связан с этим явлением. Чем резче меняется ситуация вокруг нас, чем она более угрожающая (чем сильнее внешнее воздействие), тем резче переходные процессы, вплоть до парадоксальных реакций типа ступора. При этом возникает дисбаланс работы различных участков нервной системы (блоков управления), который приводит к дисбалансу работы различных систем организма и появлению различных патологических реакций и процессов, типа вегетоневрозов и депрессий, ишемий вплоть до инфарктов и язв, начиная с ротовой полости (афты) и до толстого кишечника (явенные колиты, язвы желудка и 12-ти перстной кишки и т.д.), артериальной гипертонии и т.д.

Цикличность - это свойство систем не только живого организма. Любая система работает циклически. Если внешнее воздействие сохраняется на стабильном уровне, то работает этот минимальный установившийся цикл работы системы. Но и внешнее воздействие также может меняться циклически, например, от сна ко сну, от обеда до обеда и т.д. Это уже вторичные, третичные и т.д. циклы. Если построить графики функций системы, то получим волнообразные кривые, характеризующие цикличность. Примерами этому могут быть кривые пневмотахограммы, электрокардиограммы, кривые изменения кислотности желудочного сока, сфигмограммы, кривые электрической активности нейронов, периодичность альфа-ритма ЭЭГ и т.д.

Волны на море, смена времён года, движения планет, движения поездов и т.д., всё это примеры цикличности различных систем. Формы кривой цикличности могут самыми разнообразными. Кривая ЭКГ отличается от кривой артериального давления, и кривая артериального давления отличается от кривой давления в левом желудочке. Число форм кривых безгранично.

Два основных параметра характеризуют цикличность - период (или обратная периоду величина - частота) и неравномерность периода, в понятие которой входит понятие гармоник частоты. У СФЕ (простейшая система) не должно быть неравномерности периода цикла, её циклы действия всегда одинаковы. Но у систем уже есть переходные периоды, у которых может быть различное время цикла. Кроме того, различные системы имеют собственные периоды цикла и при их взаимодействии происходит интерференция (наложение) периодов. Поэтому появляются дополнительные смещения собственных периодов систем, появляются гармоники циклов.

Кровенаполнение лёгких определяется в основном балансом синхронности и соразмерности ударного выброса правого и левого желудочков сердца (баланс притока и оттока лёгочного объёма крови). Но на кровенаполнение лёгких также оказывают влияние дыхательные движения грудной клетки, которые меняют давление внутри альвеол и, тем самым, сдавливая лёгочные сосуды, меняют их сопротивление. Период сердечных циклов порядка 1- 0.25 секунды, а период дыхания в 3-4 раза больше. Соответственно на кривой кровенаполнения лёгких можно увидеть и кардиоциклы, и циклы дыхания (рис. 13, кривая импедансной реоплетизмографии лёгких в модификации тетраполярной реоплетизмографии по Кубичеку).

Число таких наложений волн может быть сколь угодно большим. Поэтому реально мы наблюдаем очень большое разнообразие кривых - правильные синусоиды, неправильные кривые и т.д. Но любые кривые можно разложить на составляющие их волны, т.е., разложить интерференцию на её составляющие, используя специальные методы анализа, например, преобразования Фурье. В результате можно получить спектр более простых волн типа синусоиды. Чем более детальный (и одновременно более трудоёмкий) анализ, тем ближе форма каждой составляющей к синусоиде и тем большее число синусоидальных волн с разным периодом.

Рис. 13. Дыхательные и сердечные волны (циклы) кровенаполнения лёгких.

На верхнем графике представлена полная импедансная реоплетизмограмма лёгких, представляющая собой сумму волн сердечных и дыхательных циклов (обведены пунктирными кружками). На среднем графике - кардиоциклы, после фильтра нижних частот, срезающих низкочастотные дыхательные волны. На нижнем графике - дыхательные волны, после фильтра верхних частот, срезающего высокочастотные кардиоволны.

Период цикла системы - очень важный параметр для понимания процессов, происходящих в любой системе, в том числе и в живом организме. Его длительность зависит от постоянной времени реакции системы на внешнее воздействие. Начав очередной цикл действий система не остановится, пока не закончит его. Можно попытаться воздействовать на систему в то время, когда она ещё не закончила свой цикл действий, но реакция системы на такое действие не будет адекватной. Скорость нарастания функций системы полностью зависит от времени периода цикла действий системы. Чем больше период цикла, тем медленнее система переходит от уровня к уровню.

Понятия абсолютной и относительной рефрактерности прямо связаны с понятием периода и фазы цикла системы (рис. 14). Если, например, миокард не закончил свой цикл «систола-диастола», то внеочередной (преждевременный) импульс водителя ритма или экстрасистолический импульс не сможет заставить желудочек выдать полноценный ударный выброс. В зависимости от того, на какую фазу рефрактерного периода придётся экстрасистолический импульс, величина ударного выброса может меняться от нуля до максимально возможного. Если возбуждающий импульс попадёт на на 2-й и 3-й микроциклы, миокард вообще не прореагирует на них (абсолютная рефрактерность), потому что во время не измеряется информация с рецептора «X». После сокращения миокарду, как и любой другой клетке после её возбуждения, требуется некоторое время для восстановления энергетического потенциала (накопление АТФ) и для установки всех СФЕ в «стартовое» состояние. Если в это время появится внеочередной импульс, то ответ системы возможен в зависимости от того, сколько АТФ уже накопилось или в какой степени разошлись акто-миозиновые нити саркомеров миокарда, чтобы снова включиться в функцию (относительная рефрактерность).

Рис. 14. Рефрактерные фазы возбудимости живых тканей.

Возбудимость невозбуждённой клетки наибольшая. В момент её возбуждения (1) возбудимость резко падает до нуля (2, все СФЕ в действии, 2-й микроцикл) - абсолютная рефрактерность. Затем, если нет последующего возбуждения, система постепенно восстанавливает свою возбудимость, проходя через фазы относительной рефрактерности, до первоначальной (3) и даже выше (сверхвозбудимость, в рамках данной книги не рассматривается), и затем снова до первоначального уровня (4).

Поэтому у больных сердечной недостаточностью может наблюдаться неравномерность пульса, когда пульсовые толчки неравномерны по силе. Крайним проявлением такой неравномерности является так называемый «дефицит пульса» - есть электрическая активность сердца на ЭКГ, но нет её механического (гемодинамического) аналога на сфигмограмме и при пальпации пульса ударного толчка не ощущаем.

Главные выводы из всего выше сказанного:

? любые системы работают циклически, проходя через микроциклы

? у любой системы есть переходные процессы

? период цикла у каждой системы может быть различен и зависит от постоянной времени реакции системы на внешнее воздействие (в живых системах - от скорости биохимических реакций и от скорости проведения управляющих сигналов)

? неравномерность периода цикла системы зависит от наличия переходных процессов, следовательно, в определённой степени, от силы внешнего воздействия

? неравномерность периода цикла системы зависит от наложения периодов циклов взаимодействующих систем

? по окончании цикла действий после одиночного воздействия система возвращается в исходное состояние, в котором она была до начала внешнего воздействия (на одиночное внешнее воздействие - одиночный результат действия).

Последнее (6) не касается так назывемых генерирующих систем. Это связано с тем, что после того, как результат действия был произведен системой, он становится независим от произведшей его системы и сам может стать внешним воздействием для неё же. Если подать его на вход внешнего воздействия той же системы, она опять возбудится и снова произведёт новый результат действия (положительная обратная связь, ПОС). Так работают все генераторы.

Таким образом, если на систему оказывается первое внешнее воздействие, или внешнее воздействие постоянно меняется, число функционирующих СФЕ системы меняется. Если на систему не оказывается никакого внешнего воздействия или это воздействие есть, но оно не меняется, то число функционирующих СФЕ системы не меняется. Отсюда мы можем вывести определения стационарных состояний и динамичности процесса.

Функциональное состояние системы.

Функциональное состояние системы определяется числом активных СФЕ. Если все СФЕ одновременно функционируют - это максимально высокое функциональное состояние, которое возникает при максимальном внешнем воздействии. Если ни одна СФЕ не активна - это минимальное функциональное состояние. Это может быть при отсутствии внешнего воздействия.

Внешняя среда постоянно оказывает какое-либо воздействие на любые системы, включая системы организма. Даже в состоянии покоя сила земного притяжения заставляет работать часть наших мышц, и поэтому нет абсолютного покоя. Таким образом, когда мы как будто находимся в состоянии покоя, на самом деле мы находимся на одном из низких уровней физической нагрузки с соответствующим определённым низким уровнем функционального состояния организма. Любое внешнее воздействие, требующее дополнительной активной деятельности, переводит на новый уровень функционального состояния, если только резерв СФЕ не исчерпан. Когда новое воздействие устанавливается на новом неизменном (стационарном) уровне, то и функциональное состояние системы устанавливается в новом неизменном (стационарном) функциональном уровне.

1. Стационарные состояния.

Стационарным является такое состояние систем, когда в этих системах функционирует одно и то же число СФЕ и не происходит изменения их функционального состояния.

Например, в состоянии покоя все системы организма не меняют своего функционального состояния, поскольку всё время функционирует примерно постоянное число СФЕ.

Рис. 15. Стационарные состояния покоя и бега в неизменном ритме.

В обоих случаях потребление кислорода (VO2) не меняется, хотя во время бега этот параметр гораздо выше, чем в состоянии покоя.

Бегунья, которая бежит на длинной дистанции достаточно долгое время не меняя скорости бега, также находится в стационарном состоянии (рис. 15). Её нагрузка не меняется и поэтому не меняется число работающих (функционирующих) СФЕ, т.е., не меняется функциональное состояние её организма. Организм уже «вработался» в эту не меняющуюся нагрузку, а поскольку нет прироста нагрузки, то нет и прироста числа работающих СФЕ. Оно (число работающих СФЕ) сохраняется постоянным и поэтому функциональное состояние организма не меняется. У данной бегуньи может меняться, например, состояние систем тканевой энергопродукции (истощение запасов гликогена) и систем тканевого энергопотребления (возможно истощение и износ митохондрий, миофибрилл, саркоплазматического ретикулума и т.д.), что и является процессом утомления организма. Однако, если бегунья правильно спланировала тактику бега таким образом, чтобы не входить в состояние анаэробного обмена, то состояние систем внешнего газообмена и кровообращения не меняется. Таким образом, нет физической нагрузки, или она есть, но не меняется (стационарная физическая нагрузки - steady state, при условии её адекватности возможностям организма), организм субъекта будет находиться в стационарном состоянии.

Но если бегунья будет бежать в условиях анаэробного обмена, то начнёт работать порочный круг (см. далее) и функциональное состояние её организма будет неуклонно меняться в худшую сторону. Обычно прекращение нагрузки прерывает этот порочный круг. Иногда, если испытуемый является тяжелым кардиологическим больным в стадии сердечной декомпенсации, испытание даже очень малыми дозами физической нагрузки «загоняет» его в анаэробный обмен и из-за кислородного долга ему уже очень трудно из него выйти, что приводит к госпитализации больных со всеми вытекающими отсюда последствиями. Это следует учитывать при проведении теста с максимальными физическими нагрузками.

Таким образом, любые системы организма всегда находятся в одном из своих сиюминутных стационарных состояний. Они переходят с одного уровня на другой только в случае изменения внешнего воздействия. Можно говорить о диапазоне различных стационарных состояний, в котором может меняться система. Например, в состоянии покоя величина потребления кислорода организмом человека (VO2) около 200 мл/мин, а в нагрузке VO2=2000 мл/мин. В лёгких человека есть около 1.5 млн функциональных единиц вентиляции (ФЕВ), каждая из которых представляет собой группу из примерно 200 альвеолярных ходов. Каждая из этих ФЕВ может быть включена в вентиляцию, или отключена от неё, чтобы обеспечить необходимый уровень VO2. Следовательно, в покое действуют только около 120 тыс. ФЕВ, а в нагрузке все 1.2 млн.

2. Динамические процессы.

Динамическим процессом является процесс изменения функционального состояния системы. Система находится в динамическом процессе тогда, когда происходит изменение числа её СФЕ, включенных в действие. Число постоянно включенных в действие СФЕ определяет стационарное состояние системы. Отсюда, динамический процесс - это процесс перехода системы с одного стационарного уровня на другой.

Если скорость изменения внешних воздействий превышает скорость установления заданного результата действия системы, то появляются переходные процессы (мультимикроциклы), во время которых также происходит изменение числа функционирующих СФЕ. Поэтому эти переходные процессы также являются динамическими.

Следовательно, есть два типа динамических процессов - когда система переходит с одного своего стационарного состояния (уровня) на другой и когда она находится в переходном мультимикроцикле. Первый из них является целевым, а второй обусловлен несовершенством систем и является паразитным, потому что на его действия отбирается дополнительная энергия, которая была предназначена на целевые действия.

По определению данному выше, в стационарном состоянии системы функционирует некоторое определённое число СФЕ, от нуля до всех. Минимальным шагом изменения уровня функционального состояния является величина, определяемая уровнем срабатывания одной СФЕ (один квант действия). Следовательно, в принципе, переход с одного уровня функционального состояния на другой всегда является дискретным (квантованным), а не гладким, и эта дискретность определяется «калибром» СФЕ. Число стационарных состояний равно числу СФЕ системы. Системы с большим количеством «мелких» СФЕ будут проходить через динамические процессы более гладко и без сильных рывков, чем системы с небольшим количеством «крупных» СФЕ.

Следовательно, динамический процесс характеризуется амплитудой прироста функций системы от минимума к максимуму (минимакс системы, зависит от абсолютного числа её СФЕ), дискретностью или шагом прироста функций (зависит от «калибра» или кванта единичных СФЕ) и параметрами цикличности функций (скоростью нарастания действий системы, периодом фаз цикла и т.д.). Он может быть целевым или паразитным.

Следует отметить, что стационарное состояния также является процессом, но установившимся (стационарным) процессом. В таких случаях состояние систем от цикла к циклу не меняется. Но во время каждого цикла в системе происходит очень много различных динамических процессов, потому что система сама состоит из подсистем, в каждой из которых есть свои циклы и свои процессы. Установившийся процесс сохраняет систему в одном и том же функциональном состоянии и на одном и том же стационарном уровне. По определению, данному выше, если система не меняет своего функционального состояния, то она находится в стационарном состоянии. Следовательно, установившийся процесс и стационарное состояние - это одно и то же, потому что независимо от того, находятся ли системы в стационарном состоянии или в динамическом процессе, в их подсистемах всегда могут быть какие-либо стационарные или динамические процессы. Например, даже просто рецепция рецептором «Х» является динамическим процессом.

Отсюда - нет абсолютно инертных (бездеятельных) объектов, любой объект нашего Мира тем или иным образом как-то действует. Предполагается, что полностью «бездеятельным» объект может быть при нуле градусов Кельвина (абсолютный нуль). Попытки получить абсолютно бездеятельные системы предпринимались путём замораживания тел до долей градусов Кельвина. Но заморозить тело до абсолютного нуля, видимо, не удастся, потому что тело будет всё равно двигаться в пространстве, пересекать какие-либо магнитные, гравитационные или электрические поля и взаимодействовать с ними. Поэтому, вероятно, в принципе невозможно получить абсолютно инертное и бездеятельное тело.

Целостный организм представляет собой мозаику систем, находящихся или в разных стационарных состояниях, или в динамических процессах. Можно было бы возразить, что в организме вообще нет систем в стационарном состоянии, поскольку в любых его системах постоянно происходят какие-либо динамические процессы. Во время систолы давление в аорте возрастает, а во время диастолы падает, сердце постоянно работает, кровь непрерывно течёт по сосудам, и т.д.

Всё это правильно, но оценка функций системы проводится не по текущему её состоянию, а по циклам её деятельности. Поскольку все процессы в любых системах циклические, в том числе и в организме, то критерием стационарности является неизменность интегрального состояния системы от цикла к циклу. Аорта реагирует на внешнее воздействие (на ударный выброс левого желудочка) тем, что по мере нарастания давления напряжение её стенок возрастает, и по мере его снижения - падает. Но если взять период времени больший, чем период одного кардиоцикла, то интегральное состояние аорты от кардиоцикла к кардиоциклу не меняется и является стационарным.

3. Оценка функционального состояния систем.

Оценка может быть качественная и количественная. Наличие (отсутствие) каких-либо волн на кривой является качественной оценкой, а их амплитуда или частота - количественной. Для оценки функционального состояния любых систем необходимо сравнение результатов измерений параметров функций с тем, что должно быть у данной системы. Для того чтобы судить о наличии (отсутствии) патологии, только измерения какого-либо параметра недостаточно. Например, у кого-то мы измерили артериальное давление и получили значение 190/100 мм Hg. Много это, или мало? А сколько должно быть?

Чтобы ответить на эти вопросы нужно сравнить полученный результат с нормативной шкалой, т.е., с должной величиной. Если полученное значение отличается от должного, значит есть патология, если не отличается - нет патологии. Если артериальное давление порядка 190/100 мм Hg наблюдается в покое, это патология, если на пике максимальной нагрузки, это норма.