Лекц_упр_8 (Презентации лекций)
Описание файла
Файл "Лекц_упр_8" внутри архива находится в папке "Презентации лекций". PDF-файл из архива "Презентации лекций", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "управление в биологических и медицинских системах" из 7 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "управление в биологических и медицинских системах" в общих файлах.
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст из PDF
Лекция 8.Введение в исследование биологическихсистем регулированияДыхательный хемостатЛ01-упрЛекция 5.Введение в исследование биологических системрегулированияДыхательный хемостатБлок-схема дыхательного хемостатаХемостат в установившемся режимеМодель Грэя и линейная теория систем с обратной связью.Хемостат в неустановившемся режимеПереходный процесс при вдыхании углекислого газаУправляемая системаЧастотная характеристикаПараметрическое вынуждающее воздействиеУправляющая система и замкнутый хемостатРезюмеВВЕДЕНИЕ В ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХСИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯСовременная теория автоматических систем возникла в годы второй мировойвойны, когда появилась необходимость в разработке теоретических основ расчетаи конструирования систем автоматического оружия.Начало развития теории было весьма бурным, ибо к тому времени для этогоимелись солидные предпосылки.
Так, в значительной мере были разработаныматематические методы исследования линейных электрических и механическихцепей.Как только был понят основной принцип отрицательной обратной связи, легкобыло перейти к описанию замкнутых автоматических систем.Линейная теория, развитая в такой форме, успешно применялась при решениимногих практических задач, возникавших в течение войны и после ее окончания.И только в последние годы, с повышением интереса к адаптивнымавтоматическим системам, стали особенно сильно сказываться недостаткипервоначальной теории.Эти недостатки становятся очевидными сразу же для любого, кто попытаетсяописать биологическую систему регулирования.Такие системы почти всегда содержат существенные нелинейности, причинойкоторых являются либо характеристики отдельных блоков системы, либообратные связи через параметры, либо и то и другое.ВВЕДЕНИЕ В ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХСИТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯКроме того, биологические системы часто характеризуются множественнымицепями обратной связи, образующими ту или иную форму иерархии.
Для этихсистем типично сложное адаптивное поведение.Кроме того, как указывалось в гл. I, перед биологом стоит проблема,существенно отличная от проблем, которые приходится решать инженеру, так какзадача индукции все еще занимает в биологии значительное место.Существенные переменные биологической системы зачастую исключительнотрудно измерить, регулировать или даже определить.Изоляция ее всегда оказывается неполной, так что данные биологическихисследований характеризуются относительно высокой степенью вариабельности,т. е. низкой величиной отношения сигнал/шум.Поэтому даже установившееся поведение многих (если не большинства)биологических систем, которое специалисты по теории автоматическогорегулирования считают тривиальным, понято еще далеко не полностью.Но хотя некоторые детали линейной теории автоматических систем имеютограниченное применение в биологии, общий подход к исследованию системостается тем же самым, и при этом он может многое дать.ВВЕДЕНИЕ В ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХСИТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯВесьма существенное преимущество такого подхода заключается в том, что припостановке задач в терминах блок-схем и математических законов поневолеприходится точно идентифицировать и строго определять понятия, бывшие ранеерасплывчатыми.При подобной формулировке задач проблема сразу становится гораздо болеечеткой и ясной, что облегчает проникновение в самую ее суть.Возможность использования элементарной линейной теории автоматическогорегулирования при исследовании биологических систем зависит от того,насколько подробные сведения мы хотим получить и к какому описаниюстремимся — кобщемутеоретическомуилиже к конкретномуэмпирическому.Например, в ограниченном диапазоне амплитуд частотная характеристикабиологического «черного ящика» может быть неотличимой от частотнойхарактеристики простой линейной системы первого или второго порядка.Для определенной практической цели в этом может заключаться всянеобходимая информация..ВВЕДЕНИЕ В ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХСИТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯНо вместе с тем возможен и такой случай, когда такого рода информация нассовершенно не устроит.Допустим, мы хотим подробно изучить устройство «ящика» и получить натеоретической основе уравнения, определяющие его поведение в целом.Проделав это, мы можем получить выражения, которые, хотя и оченьсложны по форме, при некоторых специфических условиях описывают довольнопростое поведение (подобно тому, как релятивистская механика при «обычных»скоростях сводится к ньютоновой).Следовательно, к анализу биологической системы можно подойти различнымипутями, причем каждый подход будет иметь свои специфические преимуществаи недостатки.Мы поясним это на конкретных примерах, которые будут рассмотрены вследующих двух главахДыхательный хемостатДанные о том, что артериальная гиперкапния, ацидоз и гипоксемиястимулируют легочную вентиляцию, а произвольная гипервентиляция вызываетартериальную гипокапнию, алкалоз и гипероксемию, служат основанием длявведения понятия дыхательного хемостата с обратной связью.Если представить себе хемостат как систему регуляции, предназначенную дляподдержания постоянства напряжения углекислого газа рСО2, концентрацииводородных ионов [Н+] и напряжения кислорода рО2 в артериальной крови приналичии некоторых возмущений, то нетрудно описать работу такой системы вколичественных терминах.Так, если испытуемый вдыхает воздух, содержащий 5% СО2, то рСО2 и [Н+] вартериальной крови возрастают.
Увеличение обоих показателей стимулируетвентиляцию, а это в свою очередь приводит к понижению этих показателей донормы.Введение в кровь животного сильной кислоты также повышает концентрациюводородных ионов в артериальной крови, что стимулирует вентиляцию.В результате напряжение углекислого газа становится ниже нормы, чтовызывает нормализацию [Н+].И наконец, если испытуемый вдыхает воздух с пониженным содержаниемкислорода, то напряжение кислорода в артериальной крови снижается, что такжестимулирует вентиляцию и, следовательно, приводит к повышению рО2 донормы.При этом развивается гипокапния и алкалоз.Дыхательный хемостатТаким образом, очевидно, что мы имеем дело с регулятором,основанным на принципе обратной связи, и что этот регуляторсвязан не с одной, а по крайней мере с тремя регулируемымивеличинами.Кроме того, очевидно, что система имеет установившуюсяпогрешность при наличии описанных выше возмущений.Иногда, например, при артериальной аноксемии, реакция системы,призванная скорректировать основную погрешность, приводит кпоявлению нежелательных погрешностей других регулируемыхвеличин.Попытаемся составить блок-схему такой системыДЫХАТЕЛЬНЫЙ ХЕМОСТАТБлок-схема дыхательного хемостатаПрежде всего, рассмотрим схему, приведенную на фиг.
59. Она подобна общейсхеме, приведенной на фиг. 13. (Блок схема механической системы с обратнойсвязью)Здесь также есть два блока, представляющие соответственно управляющую иуправляемую системы. На вход управляющей системы поступают три командныхсигнала.За выходной сигнал этой системы (она имеет один выходнойсигнал) примемVальвеолярную вентиляцию VˆAФиг. 59. Блок-схема дыхательного хемостата.Этот управляющий сигнал поступает на вход управляемой системы, имеющейтри выхода (или три управляемые переменные): напряжения кислорода (рО2) иуглекислого газа (рСО2) и концентрацию водородных ионов [Н+] в артериальнойкрови.Эти показатели химического состава артериальной крови в свою очередьпоступают на вход управляющей системы в качестве сигналов обратной связи.ДЫХАТЕЛЬНЫЙ ХЕМОСТАТБлок-схема дыхательного хемостатаФиг.
59. Блок-схема дыхательного хемостата.О характере «возмущений», поступающих на вход управляемой системы, ужеупоминалось ранее: это повышенное содержание углекислого газа или недостатоккислорода во вдыхаемом воздухе и введение сильной кислоты в кровь.ДЫХАТЕЛЬНЫЙ ХЕМОСТАТБлок-схема дыхательного хемостатаДля любого физиолога, конечно, ясно, что в этой схеме отсутствуют многиедетали, неявно включенные в показанные на схеме блоки.Скажем, химические сигналы, показанные на схеме так, как будто онипоступают непосредственно на вход управляющей системы, на самом делевоздействуют на хеморецепторы, расположенные в различных частях организма.Эти рецепторы возбуждаются, передавая в дыхательный центр сигналывозбуждения по множеству нервных путей.Дыхательный центр формирует периодические командные сигналы взависимости от сигналов с хеморецепторов и от афферентных сигналов смеханорецепторов легких и посылает эти сигналы к дыхательным мышцам.Последние в свою очередь развивают усилие, приводящее в действие«дыхательный насос».В результате обеспечивается некоторая величина полной легочной вентиляции,которая зависит от импеданса насоса.Наконец, этому уровню легочной вентиляции соответствует определенноезначение альвеолярной вентиляции V'A зависящее от «мертвого пространства».Таким образом, устройство «управляющей системы» довольно сложно.Очевидно, этот блок состоит из ряда подсистем, каждая из которых имеет свойвход, выход и определенные характеристики.ДЫХАТЕЛЬНЫЙ ХЕМОСТАТБлок-схема дыхательного хемостатаФиг.