6.2.3. Постоянство внутренней среды (гомеостаз)

Понятие «гомеостаз» (греч. «homoios» - подобный, одинаковый, и «stasis» - состояние) было введено У. Кенноном. Гомеостаз рассматривается как некоторое динамическое постоянство параметров объекта управления в процессе его существования. Механизм поддержания гомеостаза выглядит как иерархическая структура управления, состоящая из трех контуров, причем цели в двух из них соотносятся как противоречащие друг другу и являются объектом управления в некотором третьем контуре.

Начальный этап исследований выявил относительное динамическое постоянство внутренних свойств (структуры) и внутренней среды организма и устойчивости выполнения им основных функций. Было выяснено, в частности, что для гомеостаза характерна нежесткость требований к параметрам состояния, когда важно, чтобы постоянство соблюдалось только в той степени, которая необходима для нормального функционирования организма в целом (а не для каждого процесса или канала управления в отдельности). Гомеостаз стал одним из кардинальных понятий современной физиологии. Однако структуры и механизмы его поддержания в ходе этих исследований не были раскрыты.

Следующий этап в развитии представлений о гомеостазе связан с появлением концепции кибернетики. Он формально описал механизм возникновения и поддержания гомеостаза как контур отрицательной обратной связи с задающим сигналом. Фактически этим понятие гомеостаза было признано свойством структурной организации систем, независимо от их природы (естественных и искусственных). С позиций теории управления гомеостаз означает сохранение постоянства внутренней среды системы в ходе реализации любых управленческих программ.

Классическая линия развития теории управления идейно была определена желанием сохранить схему Н. Винера для объектов любой сложности. Появившиеся в конце 1960-х гг. работы по теории многосвязных систем основывались на простой идее: среди всех выходов системы выделить главный, для которого и надо решать задачу управления. Что касается реакций остальных переменных системы, то их надо сгладить. Эта идея развивается затем в работах по чувствительности и ее минимизации, а затем - в теории инвариантности.

Применительно к организму (естественной системе) был предложен принципиально иной подход к понятию целей управления. В его основе - строгая семантическая* трактовка сущности иерархической структуры, наличие нелинейных отношений между различными целями управления и обусловленная этим степень внутренней свободы системы, характеризующаяся нежесткостью требований к параметрам состояния. Степень внутренней свободы, присущая предложенному подходу к целям управления такова, что постоянство соблюдается только для системы в целом (а не для каждого процесса или канала управления в отдельности).

С позиции классической теории управления это условно можно трактовать как нахождение общей части областей устойчивости для различных каналов управления системы «Гомеостаз - путь создания устойчивости в самой управляющей системе за счет подходящей структуры». Можно сказать, что предложенное теоретическое положение стало отправной точкой для формирования теории гомеостатического управления в ее современном понимании, так как положило основу для формирования идейного, понятийного и математического аппарата исследования. В первую очередь была показана сложная организация решения задачи самосохранения в естественных системах.

Сформированные теоретические представления о гомеостазе стали основой для решения прикладных задач. После появления винеровской модели сразу же были разработаны модели различных физиологических систем в виде одноконтурных систем с постоянной установкой, которая задавала «желаемый» уровень каких-либо веществ в организме (гормонов, водородных ионов и т. п.), температуры или «очевидных» параметров (напр., давления в системе кровообращения). Однако быстро выяснился основной недостаток такой модели - установка не отражает изменчивости состояния организма в разных условиях.

Появилось две возможности преодолеть это противоречие:

1. Первый подход - сделать многоуровневые модели с меняющимся значением установки, где второй уровень управления меняет значения установок для регуляторов низшего уровня, а третий следит за организмом в целом. Этот подход был развит в СССР С. Н. Брайнесом и В. Б. Свечинским, а затем применён для социально-организационных структур.

2. Другой подход - вообще отказаться от жесткой винеровской схемы (как одно,- так и многоконтурной).

Практика моделирования пошла по второму пути. Оказалось, во-первых, что в реальных физиологических системах, как правило, не удается обнаружить структуры, где бы производилось используемое в модели «сравнение двух сигналов».

Во-вторых, выяснилось, что описание физиологического объекта управления в модели Винера передаточной функцией не годится для описания сколько-нибудь сложных систем. В сложной системе, где имеется множество передаточных функций, их надо складывать, умножать, делить. Если одинаковые переменные окажутся в числителе и в знаменателе, то их можно сократить, понизив порядок системы. Но при сокращении теряется информация об исходном состоянии системы - о начальных значениях на всех элиминированных* «интегрирующих звеньях». Система становится «непредсказуемой» - процессы в модели не отражают процессы в реальной системе.

Выход в этой ситуации был найден Р. Калманом, с работ которого начался новый этап в развитии теории управления. Его сущность состояла в отказе от модели «черного ящика» и переходе к методу пространства состояний, когда само математическое описание системы в виде дифференциальных уравнений содержит полную информацию о ее структуре. В моделировании биологических систем (а к этому времени понятие гомеостаза распространилось и на смежные с физиологией сферы) стали применяться компартментальные* модели, позволяющие смоделировать баланс веществ в системе и сложные формы управления им. Именно здесь и возникла принципиальная возможность построения общего подхода для анализа гомеостаза систем любой природы, как биологической, так и технической.