4.3. Адаптация и гомеостазис

Управление тесно связано с таким понятием как “гомеостазис” (гомеостаз), под которым понимается способность системы обеспечивать стабильность структуры и элементного состава, качественное выполнение функций и поддержание характеристических параметров в заданных пределах вне зависимости от случайных факторов воздействия.

Гомеостазис - широкое и многогранное понятие, особенно для понимания многих свойств живых объектов. В терминах теории управления гомеостазис означает, что часть характеристических параметров системы в определенных условиях и в определенном диапазоне активности системы инвариантны к случайным возмущениям (или мало чувствительны к их действию).

При этом источниками этих случайных факторов-возмущений являются:

- изменение внешних условий функционирования (например, атмосферные явления, помехи внешней среды и т. п.);

- случайные колебания нагрузки (включая и потоки информации);

- внутренние факторы (например, изменение режимов работы, естественное старение элементов, шумы внутреннего происхождения и т. д.).

Автоматическое поддержание гомеостазиса обеспечивается т.н. гомеостатическими механизмами, в которых используются рассмотренные выше принципы управления. Параметры, постоянство которых поддерживается этими механизмами, задают гомеостатические свойства системы. Характеристикой гомеостатических свойств служат гомеостатические кривые - зависимости параметров системы от величины факторов-возмущений, имеющие характерную форму с плато посередине и крутыми участками по краям. Примеры таких кривых приведены на рис. 4.3: области гомеостазиса Q_ст определяют диапазон изменений возмущающего фактора x_n, в пределах которого свойство r_k приблизительно постоянно.

Границы области определяют значения фактора, при котором происходит срыв в работе гомеостатического механизма, а наклон плато характеризует степень стабилизации свойства. Следует иметь в виду, что, если система содержит подсистемы с разными гомеостатическими свойствами, то область гомеостазиса всей системы не может превышать наименьшую из областей гомеостазиса ее подсистем. Например, для системы, содержащей две подсистемы с гомеостатическими свойствами, которые отображаются кривыми на рис. 4.3, область гомеостазиса Q^S_ст новой системы определяется пересечением областей гомеостазиса подсистем.

Другим не менее важным свойством системы является ее адаптивность - способность системы приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней Среды, само оптимизировать свое поведение и структуру в условиях воздействия случайных факторов и направленных систематических воздействий. Область внешних условий, в которых система выполняет свои функции с заданным качеством, определяется ее ресурсом - резервами: чем выше ресурс, тем шире спектр допустимых изменений.

Адаптация может происходить на разных уровнях организации системы. Верхним пределом адаптивности является выполнение принципа оптимизации управления - обеспечение качества управления при минимальных энергетических затратах за минимальное время.

Системы, которые способны устойчиво сохранять характер взаимодействия с ОС, несмотря на возможные изменения внутренних и внешних факторов, называются самоорганизующимися. Особое значение для синтеза самоорганизующихся систем имеет бионический подход к исследованию структуры и функционирования биологических объектов различной сложности (от клеток до живых организмов и их популяций). Такие исследования проводятся с целью создания новых более совершенных технических устройств и синтеза биотехнических комплексов, оптимально использующих свойства биологических и технических звеньев, объединенных в единую функциональную систему. Принципы адаптации и самоорганизации, реализованные в биологических системах, позволяют им успешно бороться за жизнь в условиях непостоянной внешней среды, изменяя в широком диапазоне свои характеристики и степень взаимодействия с Окружающей Средой.

Отмеченные аспекты управления вместе с другими поднятыми выше проблемами приводят к значительным трудностям при изучении систем, даже при относительно небольшом количестве элементов, содержащихся в них. Одним из эффективных методов исследования может стать их информационно-структурный анализ.