какое значение имеют прямые и обратные связи
Экология: биология взаимодействия. 1.07. Регуляция биосистем
Українська мова (найновіша версія) / Русский язык (обновление прекращено)
1.07. Регуляция биосистем
Жизнь основана на непрерывном изменении, в котором, тем не менее, сохраняются постоянными большинство важных свойств живых систем. Так, всего за год в теле каждого человека сменяется большинство атомов, а сам человек остается практически таким, как был. На протяжении столетий в лесу сменяются все населяющие его организмы, но важные свойства леса сохраняются постоянными. Какие свойства биосистем обеспечивают такую устойчивость в ходе изменений?
Для ответа на этот вопрос важны кибернетические (относящиеся к науке об управлении) понятия прямой и обратной связи. Прямая связь — это влияние какого-то фактора на изучаемую систему (пример: поворачивая руль, водитель изменяет направление движения автомобиля). Обратная связь — зависимость управляющего воздействия от состояния самой системы (пример: изменение движения автомобиля влияет на повороты руля водителем). Таким образом, обратная связь — это управление системой с учетом ее состояния, зависимость управляющего воздействия от его результатов (рис. 1.7.1, А).
Рис. 1.7.1. Пояснение понятия обратной связи. А. Прямая и обратная связи. Б. Пример обратной связи
Выделяют два типа обратных связей. Положительные обратные связи усиливают отклонение управляемой величины от исходного состояния, а отрицательные обратные связи возвращают систему в прежнее состояние. Иначе можно сказать, что положительные обратные связи — это взаимная стимуляция двух процессов, а обратные — подавление отклонений управляемого процесса.
Рассмотрим простейший пример: над жарко горящим костром кипит котелок с водой. Если огонь горит слишком сильно, часть воды выплескивается, частично заливает костер и уменьшает интенсивность горения. Когда огонь затухает, выплескивание прекращается, и огонь постепенно разгорается вновь. В данном примере отклонение управляемой величины (интенсивности горения) вызывает такое изменение действия управляющего фактора (выплескивания), которое оказывает на управляемую величину воздействие, противоположное (отрицательное по знаку) начальному отклонению. Значит, в данном случае мы имеем дело с отрицательной обратной связью.
А в каком случае в подобном примере обратная связь окажется положительной? Если в котелке вместо воды будет керосин! При этом чем ярче будет гореть костер, тем сильнее будет выплескиваться керосин, что будет еще более усиливать горение костра.
Существенно, что в примере с котелком положительные обратные связи быстро выведут систему из ее исходного состояния (котелок с керосином опустеет), а отрицательные (если в котелке — вода) приведут к сохранению ее свойств относительно постоянными. Отрицательные обратные связи стабилизируют систему, а положительные — переводят ее в иное состояние (т.е. разрушают прежнюю структуру взаимосвязей). Наличие альтернативных режимов функционирования биосистем определяется комбинациями двух типов обратных связей: отрицательные стабилизируют каждый режим, а положительные обеспечивают переключение между такими режимами.
Например, изменения в ходе онтогенеза управляются положительными обратными связями. Так происходит, к примеру, развитие влюбленности (переключение с одной поведенческой программы на другую): стимул вызывает интерес, интерес усиливает действие стимула. Интерес вызывает определенные действия, которые также приводят к возрастанию стимула и росту интереса и т.д. Процесс ухаживания и сближения достигает кульминации, после чего система переходит в иное состояние…
Обычно отрицательные обратные связи могут действовать в определенном диапазоне регуляции. При выходе за пределы этого диапазона вступают в действие разрушающие систему положительные обратные связи. Возвращаясь к примеру с котелком на костре, можно убедиться, что и резкое возрастание силы пламени, и потухание костра выведет систему за пределы «коридора» в котором ее состояние регулируется отрицательными обратными связями. Приведем более актуальный пример: увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере активизирует снижающие его реакции (усиливает фотосинтез, увеличивает связывание в виде карбоната кальция в Мировом океане). При выходе концентрации углекислого газа за определенные границы (например, при его чрезмерном повышении) включаются механизмы, переводящие систему в другое состояние. Рост температуры из-за парникового эффекта вызывает уменьшение фотосинтезирующей зеленой массы, ускорение высвобождения углекислоты из почвы и т.д., что может привести к дальнейшему повышению концентрации СО2 (и переходу системы в другое состояние с другими стабилизирующими его отрицательными обратными связями).
Биологические системы можно рассматривать как кибернетические, характеризующиеся упорядоченными внутренними взаимодействиями. В организмах управляющая система внутренняя и специализированная, в технических устройствах с отрицательной обратной связью (сервомеханизмах) — внешняя и специализированная, в экосистемах — внутренняя и неспециализированная (рис. 1.7.2). Типичной особенностью всех кибернетических систем является то, что низкоэнергетические процессы в них управляют высокоэнергетическими (движение руки на рубильнике останавливает завод). На организменном уровне существенные перестройки обмена веществ могут вызвать всего несколько молекул гормонов. В экосистемах наибольшее регулирующее воздействие на сообщество могут оказывать вершинные хищники, которые ответственны лишь за небольшую долю проходящего в экосистеме обмена веществ. Перепончатокрылые паразитоиды (см. пункт 4.06) трансформируют небольшую долю потока энергии, протекающего через биоценоз, но эффективно регулируют его чистую продукцию через растительноядных насекомых.
Рис. 1.7.2. Особенности отрицательных обратных связей в техническом устройстве (А.) и экосистеме (Б.)
Регуляция на различных уровнях биосистем часто осуществляется благодаря отрицательным обратным связям, что придает многим биосистемам сходные свойства. Приведем несколько примеров регуляции по принципу отрицательных обратных связей на разных уровнях биосистем.
Таблица 1.7.1. Примеры регуляции по принципу отрицательной обратной связи для разных уровней организации биосистем
Уровень
Пример регуляции по принципу отрицательной обратной связи
ГДЗ биология 8 класс Колесов, Маш, Беляев Дрофа Задание: 9 Рефлекторная регуляция
Стр. 56. Вопросы в начале параграфа
№ 1. Что входит в состав центральной нервной системы, а что — в состав периферической?
В состав центральной нервной системы входит головной мозг и спинной мозг. В состав периферической нервной системы входят нервы, нервные окончания и нервные узлы.
№ 2. Что такое рефлекс?
Рефлекс – это стереотипная реакция живого организма на какое-то воздействие (раздражитель), проходящее с участием рецепторов и находящееся под управлением ЦНС.
Стр. 60. Вопросы
№ 1. Что такое рефлекс и рефлекторная дуга? Приведите пример рефлекторной дуги.
Рефлекс – это стандартный ответ живого организма на какой-то раздражитель или его действие, который происходит под контролем ЦНС и с участием ее рецепторов. Рефлекторной дугой называют простейшую нейронную цепь – путь, по которому проходят все нервные импульсы от точки воздействия на рецептор до рабочего органа. К примеру, можно осторожно прикасаться к уголку глаза со стороны носа чистым пальцем руки. Потом точки прикасания можно ставить ближе к ресницам, бровям, у щеки. В некоторых местах прикасание будет вызывать непроизвольное мигание. Сигнал от рецептора будет передаваться по чувствительным нейронам к исполнительным нейронам.
№ 2. Как по-другому называют врождённые рефлексы и рефлексы, приобретённые в процессе жизни? Как вы думаете, почему они получили такие названия?
Врожденные рефлексы человека имеют другое название – безусловные. Они непроизвольные, например, отдергивание руки от горячих предметов, сосательный рефлекс у детей и т.д. Рефлексы, которые человеческий организм приобрел в процессе своей жизни, называются условными. Такие рефлексы могут меняться, исчезать и оставаться в зависимости от того, что происходит в жизни человека.
№ 3. Какими свойствами обладают рецепторы?
Рецепторами называют окончания нервных структур с высокой степенью раздражимости. Они преобразуют определенные виды энергии в нервный импульс. Когда в рецепторах возникают импульсы, они по отросткам чувствительных нейронов достигают ЦНС. В ней информация обрабатывается вставочными нейронами, которые могут быть не только возбуждающими, но и тормозными. Далее сигналы отправляются в исполнительные нейроны, которые возбуждаются и посылают сигналы, провоцирующие работу желез, мышц, органов.
№ 4. Где расположены тела чувствительных нейронов?
В рецепторах органов чувств (спинномозговых ганглиях).
№ 5. Какую функцию выполняют вставочные и исполнительные нейроны?
Вставочные нейроны обеспечивают связь между чувствительными и исполнительными нейронами в рефлекторных дугах. Исполнительные нейроны образуют в мышечных волокнах синапс и иннервируют железы (их отростки образуют с железой синапс).
№ 6. Объясните необходимость наличия обратных связей в нервной системе.
Необходимость наличия обратных связей в нервной системе обусловлена тем, что мозг может отслеживать верность выполнения команд, поступивших из ЦНС.
Стр. 60. Задания
№ 1. Используя рисунок 21, зарисуйте рефлекторную дугу мигательного рефлекса и укажите её части.
№ 2. Прикоснитесь осторожно к внутреннему углу глаза несколько раз. Определите, после скольких прикосновений мигательный рефлекс затормозится. Проанализируйте это явление и укажите его возможные причины. Предположите, какие процессы в синапсах рефлекторной дуги могут вызвать торможение рефлекторной реакции.
У меня мигательный рефлекс затормозился после четырех прикосновений. Это произошло, потому что мой организм привык к раздражителю – прикосновению к внутреннему уголку глаза.
№ 3. Проверьте, существует ли возможность с помощью волевого усилия затормозить мигательный рефлекс. Если вам это удалось, объясните, почему это произошло.
Мне удалось с помощью волевого усилия затормозить мигательный рефлекс. Я думаю, что так произошло, потому что этот рефлекс может подчиняться силе воли человека.
№ 4. Вспомните, как проявляется мигательный рефлекс, когда в глаз попадает соринка. Проанализируйте ваше поведение с точки зрения учения о прямых и обратных связях.
Соринка – это инородный предмет. Нахождение его в глазу вызывает дискомфорт, а значит, глаз реагирует на это. Это и есть мигательный рефлекс. Когда мне попадает соринка в глаз, я стараюсь избавиться от нее: моргаю, тру глаз.
№ 5. Сделайте вывод о значении мигательного рефлекса.
Мигательный рефлекс – это своеобразная защита наших глаз от внешних раздражителей: пыль, ветер, солнце. При закрывании веками глаза не только обеспечивается защита от механических повреждений, но и происходит увлажнение его поверхности. Это позволяет сохранить здоровье глаз.
Глава 4
Опорно-двигательная система
Вопрос 7 Понятие прямой и обратной связи
Классификация межкомпонентных связей может быть осуществлена по следующим признакам:
1) по направленности воздействия: прямые и обратные связи.
Прямая связь представляет собой первичное исходное воздействие на определенный объект.
Общие функции управления, их взаимосвязь в контуре управления.
Общие функции управления:
1. Формирование целей и/или программы действий для объекта (планирование)
2. Учёт (получение данных о фактическом состоянии данных выхода объектов)
3. Контроль (сравнение плановых и фактических параметров)
4. Анализ (определение причин отклонения фактического состояния от запланированного)
5. Регулирование (выработка и реализация управляющего воздействия для минимизации отклонений фактического состояния от планового)
Одним из фундаментальных законом функционирования является закон необходимого разнообразия.
ВЗАИМОСВЯЗЬ. – СМ РИС К ВОПРОСУ 07
Системы организационного управления.
ОС, элементы которых связаны отношениями по управлению называют системами организационного управления (СОУ)
Ø Системы организации управления следует отнести к сложным, динамическим, вероятностным, открытым системам, обладающие способностью к самоорганизации, адаптации и самообучению.
В СОУ в качестве управляющей системы и ОУ рассматриваются не машины, а люди, человеческие коллективы
Основатель научного управления производством – Фредерик Тейлор –инженер, решавший в своей повседневной работе проблемы рационализации производства и труда с целью повышения их производительности и эффективности. Основные идеи Тейлора изложены в книгах:
1) “Управление предприятием” (“Shop Management”)
2) “Принципы научного управления” “Principles of scientific management”
Какое значение имеют прямые и обратные связи?
Какое значение имеют прямые и обратные связи.
Между центральной нервной системой и рабочими, исполнительными органами существуют как прямые, так и обратные связи.
При действии раздражителя на рецепторы возникает двигательная реакция.
Это вторичные афферентные (центростремительные) импульсы постоянно сигнализируют нервным центрам о состоянии двигательного аппарата, и в ответ на эти сигналы из центральной нервной системы к мышцам поступают новые импульсы, включающие следующую фазу движения или изменяющие движение в соответствии с условиями деятельности.
Значит, имеется кольцевое взаимодействие между регуляторами (нервными центрами) и регулируемыми процессами, что дает основание говорить не о рефлекторной дуге, а о рефлекторном кольце, или рефлекторной цепи.
Структура рефлекторного кольца существенно отличается от структуры рефлекторной дуги, по существу разомкнутой на периферии.
В рефлекторном кольце есть дополнительные звенья в виде рецепторов исполнительного органа, афферентного нейрона и системы вставочных нейронов, передающих вторичные афферентные импульсы на центробежные нейроны рефлекторного кольца.
Вторичная афферентная импульсация (обратная связь) очень важна в механизмах координации, которую осуществляет нервная система.
У больных с нарушенной чувствительностью мышц движения, особенно ходьба, утрачивают плавность, становятся некоординированными.
Центральная нервная система у таких больных утрачивает контроль над движениями.
Благодаря обратным связям мы можем не только судить о результатах действия, но и вносить поправки в нашу деятельность, исправлять допущенные ошибки.
Физиологам известно много примеров саморегуляции функций в организме при помощи обратных связей : это поддержание артериального давления крови на постоянном уровне за счет импульсов, поступающих в центральную нервную систему от рецепторов кровеносных сосудов, или значение импульсации от рецепторов легких и дыхательных мышц в регуляции дыхания и др.
Между центральной нервной системой и рабочими, исполнительными органами существуют как прямые, так и обратные связи.
При действии раздражителя на рецепторы возникает двигательная реакция.
Это вторичные афферентные (центростремительные) импульсы постоянно сигнализируют нервным центрам о состоянии двигательного аппарата, и в ответ на эти сигналы из центральной нервной системы к мышцам поступают новые импульсы, включающие следующую фазу движения или изменяющие движение в соответствии с условиями деятельности.
Значит, имеется кольцевое взаимодействие между регуляторами (нервными центрами) и регулируемыми процессами, что даетоснованиеговорить не о рефлекторной дуге, а о рефлекторном кольце, или рефлекторной цепи.
Структура рефлекторногокольца существенно отличается от структуры рефлекторнойдуги, по существу разомкнутой на периферии.
В рефлекторном кольце есть дополнительные звенья в виде рецепторов исполнительного органа, афферентного нейрона и системы вставочных нейронов, передающих вторичные афферентные импульсы на центробежные нейроны рефлекторногокольца.
Вторичная афферентная импульсация (обратная связь) очень важна в механизмах координации, которую осуществляет нервная система.
У больных с нарушенной чувствительностью мышц движения, особенно ходьба, утрачивают плавность, становятся некоординированными.
Центральная нервная система у таких больных утрачивает контроль над движениями.
Благодаря обратным связям мы можем не только судить о результатах действия, но и вносить поправки в нашу деятельность, исправлять допущенные ошибки.
Физиологам известно много примеров саморегуляции функций в организме при помощи обратных связей : это поддержание артериального давления крови на постоянном уровне за счет импульсов, поступающих в центральную нервную систему от рецепторов кровеносных сосудов, или значение импульсации от рецепторов легких и дыхательных мышц в регуляции дыхания и др.
Какое значение имеют прямые и обратные связи
В подавляющем большинстве случаев объекты (процессы), с которыми мы имеем дело в жизни, не обладают свойством самоуправления в желательном для нас режиме. Соответственно этому обстоятельству мы и оказываемся перед необходимостью решать те или иные задачи управления. Решение их состоит в том, чтобы:
*либо выявить в объекте (процессе) некую систему управления и настроить её на управление объектом (процессом) в желательном для нас режиме;
*либо построить систему управления и связать её с объектом (процессом), управлять которым мы намереваемся.
Управление как информационно-алгоритмический процесс является отображением (переходом) информации по двум контурам:
1. Из объекта и среды, окружающей объект управления, в систему управления объектом — это ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ;
2. Из системы управления объектом в объект и среду — это ПРЯМЫЕ СВЯЗИ.
Кроме того обратные связи подразделяются на «положительные» и «отрицательные». Понятие об отрицательных обратных связях отражает факт построения системы управления объектом таким образом, что обнаружение системой управления отклонений объекта от идеального режима, предписанного вектором целей, вызывает появление управляющего воздействия, направленного в сторону возвращения объекта к идеальному режиму. При положительных обратных связях управление помогает возмущению (с момента его обнаружения) увести объект от идеального режима в направлении воздействия на объект возмущения.
ОБРАЗНО ГОВОРЯ, положительные обратные связи могут быть названы «поощряющими», а отрицательные обратные связи — «гасящими», «подавляющими», «сдерживающими», «тормозящими».
_______________________
Правильно ли я понимаю, что положительные обратные связи это увеличение амплитуды объекта управления относительно идеального режима, а отрицательные — уменьшение амплитуды?
Соответственно управление, построенное на положительных обратных связях это оказание возмущающего воздействия на объект, а управление на отрицательных — это сглаживание, гашение амплитуд, оказание успокаивающего воздействия на объект?
Совсем мало рассказано об этом в ДОТУ (один-два абзаца), так что понять непросто.
Я так понимаю, отрицательная обратная связь — это обратная связь, говорящая об уменьшении амплитуды объекта (колебательного процесса).
Управление на отрицательных обратных связях — передача информации объекту и среде, вызывающей сглаживание амплитуд и приведение объекта в идеальный режим.
Если управление на положительных обратных связях это увеличение амплитуд объекта, то ведь таким образом объект управления может выйти из допустимого режима и произойдёт потеря управления. Зачем вообще это нужно?
Что бы вернуть объект в приемлемый режим иногда требуется увеличить частоту, амплитуду и другие параметры — это понятно.
Но я всё равно не понимаю зачем нужно управление на положительных обратных связях. С самолётами не знаком — пример не понял.
Например объект выходит из под контроля (аварийная ситуация). Я уменьшаю частоту его колебания так, что он приходит в допустимый режим (таково его свойство допустим). После прихода в допустимый режим я увеличиваю частоту обратно.
То, что я описал — управление на положительных обратных связях?
«Что бы вернуть объект в приемлемый режим иногда требуется увеличить частоту, амплитуду и другие параметры — это понятно».
Если не понятно с самолётом. То могу привести пример из детской педагогики. Часто дети капризничают и не слушают взрослых, делая всё наоборот, чтобы их не попросили сделать. Но для того, чтобы воспитательные цели взрослых были достигнуты, можно ребёнку предложить игру «Делай наоборот»: «Давай сегодня делать все наоборот. Я тебе скажу: «Антоша, не мой руки!», а ты возьмешь и помоешь! Я тебе скажу: «Антоша, мы не идем гулять!», а ты что должен делать?» Ребенку условия игры нравятся. Они отвечают его внутреннему состоянию. От взрослого требуется хмурить брови и возмущаться: «Нет! Вы только посмотрите! Мы не идем гулять» А он уже оделся! Все садятся за стол с грязными руками! А он их зачем-то помыл!» Игровая позиция взрослых вызывает у ребенка восторг. Но он попадается в собственную ловушку: делая «все наоборот», удовлетворяет действительным требованиям взрослых.
«Например объект выходит из под контроля (аварийная ситуация). Я уменьшаю частоту его колебания так, что он приходит в допустимый режим (таково его свойство допустим). После прихода в допустимый режим я увеличиваю частоту обратно.
То, что я описал — управление на положительных обратных связях?»
Машина ехала прямо по скользкой дороге, под колесо попал камушек и её начало заносить, допустим, вправо.
В этом примере положительная обратная связь имеет негативный характер, но в некоторых задачах она необходима.
При положительных обратных связях управляющее воздействие может привести объект в нормальный режим управления, но только он будет всегда отличен от первоначального режима. Если возмущающее воздействие не прекратится, то процесс может «проскочить» нормальное положение.
Почему же так мало и непонятно написано об этом в ДОТУ?
Мало я думаю потому, что не так важно раскрывать эти умолчания для общей картины ДОТУ, но почему же так плохо понимаемо они раскрыты?
Хотелось бы ещё кого-нибудь услышать, кто в этих связях разбирается и может объяснить более понятно и привести примеры.
Привожу найденные фрагменты из ДОТУ по теме положительных и отрицательных обратных связей:
ДОТУ 2008 (раздел «Замкнутые системы и схемы управления»):
=Начало=
Кроме того обратные связи подразделяются на «положительные» и «отрицательные». Понятие об отрицательных обратных связях отражает факт построения системы управления объектом таким образом, что обнаружение системой управления отклонений объекта от идеального режима, предписанного вектором целей, вызывает появление управляющего воздействия, направленного в сторону возвращения объекта к идеальному режиму. При положительных обратных связях управление помогает возмущению (с момента его обнаружения) увести объект от идеального режима в направлении воздействия на объект возмущения.
Но поскольку возмущение может представлять собой управляющее воздействие со стороны некоего процесса управления извне (его управляющее воздействие — его прямые связи), то при рассмотрении совокупности взаимовложенных процессов управления в отношении любого из вложенных в рассматриваемую совокупность процессов самоуправления их положительные обратные связи могут быть названы «поощряющими», а их отрицательные обратные связи — «гасящими», «подавляющими», «сдерживающими», «тормозящими».
Хотя до настоящего времени (2008 г.) эти термины в теории управления (вне ДОТУ) не употребляются, но они более соответствуют характеру обратных связей в процессе управления, нежели общепринятое подразделение обратных связей на «положительные» и «отрицательные», которое не однозначно понимается интуитивно и нуждается в дополнительном пояснении. К тому же предлагаемые в ДОТУ определения обратных связей более соответствуют процессам взаимодействия некоего частного (вложенного) управления с объемлющим его иерархически высшим управлением.
=Конец=
ДОТУ 2004 (раздел «Манёвры и балансировочные режимы»):
=Начало=
Понятие об отрицательных обратных связях отражает факт построения системы управления объектом таким образом, что обнаружение системой управления отклонений объекта от идеального режима, предписанного вектором целей, вызывает появление управляющего воздействия, направленного в сторону возвращения объекта к идеальному режиму. При положительных обратных связях управление помогает возмущению с момента его возникновения увести объект от идеального режима в направлении воздействия на объект возмущения.
Если идеальный режим — неизменность во времени вектора целей, в который собраны контрольные параметры, то по причине конечного быстродействия системы управления её воздействие, компенсирующее отклонение от идеального режима (при отрицательных обратных связях), с какого-то момента времени само становится возмущающим и объект проходит точку идеала1*. Так система управления сама раскачивает объект относительного идеального режима вектора целей (вопрос только в том, амплитуды колебаний лежат в допустимых пределах либо же нет). Лучше всего это видно в устойчивых балансировочных режимах. В неустойчивых балансировочных режимах амплитуда колебаний либо выше допустимой, либо нарастает от колебаний к колебанию даже при отрицательных обратных связях.
Т.е. сам принцип отрицательных обратных связей по контрольным параметрам в теории и практике управления необходим, но всё же он — одна из частностей в теории и практике управления в целом.
*1 Этого пересечения значений идеала можно избежать, если задать такое требование при создании системы управления, но и в этом случае колебательный характер балансировочного режима сохранится. Однако колебания будут протекать в некоторой полосе значений по одну сторону от предписанных идеальных значений балансировочного режима.
=Конец=