Рис.2.1 Модель гомеостаза, связывающая температуру помещения с работой системы нагрева и, наоборот, связывающая работу системы нагрева с заданной температурой [3].
Гомеостаз:
сохранение равновесия при
происходящих изменениях
Под термином "гомеостаз" подразумевают не фиксированный и неизменный конечный результат или неизменное фиксированное состояние дел, а частный случай динамического процесса, который поддерживает выходной параметр на заданном уровне. Гомеостаз контролирует многие функции нашего тела, такие как температура тела, артериальное давление крови, частота биения сердца, уровень сахара в крови. Эти функции обеспечивают связь клеток нашего тела с окружающей средой, в которой они функционируют оптимально [1]. Давление крови в наших артериях, например, поддерживается следующим образом. Давление создается сердцем, прокачивающим кровь по артериям. От главной артерии отходят малые артерии, которые окружены бандажом из мускул. Чем сильнее сжимаются эти мускулы, тем больше увеличивается артериальное давление крови из-за возросшего сопротивления движению крови. Вы подобным образом можете увеличить давление в садовом поливочном шланге сжимая его отрытый конец. Мониторинг давления осуществляется специальными сенсорами, расположенными в больших артериях, поставляющих кровь в мозг. Сигналы с этих сенсоров посылаются в мозг, который в свою очередь контролирует насосную активность сердца и степень сжимания мускул вокруг малых артерий. Эти мускулы релаксируют, когда давление крови превышает заданный уровень, и сжимаются, когда давление падает ниже заданного уровня. Заданный уровень можно изменить в случае необходимости. Давление крови уменьшается во время сна, тогда как при выполнении упражнений оно может удваиваться. Это вовсе не следствие каких-то недостатков или поломки механизма гомеостаза, просто заданный уровень был переустановлен в соответствии с потребностями тела. То же самое происходит при лихорадке [2].
В то время как гомеостаз является общей особенностью живого организма, подобный процесс используется в работе многих технических устройств таких, как стиральная машина и сушилка белья, автопилот, увлажнитель, круиз контроль автомобиля, холодильник, воздушный кондиционер и аппаратура центрального отопления. В оборудовании для нагрева или охлаждения, процесс гомеостаза обеспечивает термостатический контроль и термостабильность с помощью обычного термостата. Поскольку термостатический контроль намного легче изучать, чем аналогичную систему в организме, именно он будет служить практическим примером, иллюстрирующим процесс гомеостаза.
Рис.2.1 Модель гомеостаза, связывающая температуру помещения с работой системы нагрева и, наоборот, связывающая работу системы нагрева с заданной температурой [3].
Основные особенности гомеостатического контроля температуры в системе нагревания/охлаждения представлены схематически на диаграмме Рис.2.1. Принципы ее работы можно объяснить следующим образом:
Бокс 1: Вы, как пользователь этой системы, рассматриваете различные факторы, выбирая предпочтительную температуру. Предпочтительная температура - компромисс между степенью физического комфорта и стоимостью энергии, необходимой для его подержания.
Бокс а: Предпочтительная температура устанавливается на системе контроля термостата - установочная переменная. Она переменная потому, что вы можете менять ее в некотором интервале значений. Если стоимость энергии меняется, вы меняете и степень компромисса между соображениями комфорта и стоимостью, выставляя требуемую температуру на другой уровень.
Бокс b: Система контроля термостата непрерывно сравнивает текущую температуру, зарегистрированную термометром, с установочной температурой; это сравнение проводится в точке процесса регулирования, названной точкой сравнения или итоговой.
Бокс с: Если имеет место расхождение (обозначенное как [a - b]) между зарегистрированной и требуемой температурами, и это расхождение выходит за заданный допуск, скажем 2-5%, активируется генератор теплого или холодного воздуха. Целью этого процесса является поддержание разности между a и b близкой к нулю, что достигается с помощью температуро- чувствительного переключателя, который дает команду на производство некоторого количества теплого или холодного воздуха.
Бокс d: Для подгонки температуры помещения к заданной величине, воздух запускается в комнату с температурой несколько выше заданной при нагреве, и, соответственно, ниже установочной при кондиционировании.
Бокс е: В результате этой регулирующей операции, температура помещения изменяется в направлении заданной температуры.
Символ f: Поскольку управление термостатом обычно не располагается вблизи воздушного клапана, и поскольку требуется некоторое время для изменения температуры воздуха путем диффузии через помещение и достижения месторасположения термометра, имеет место некоторое временное запаздывание между требуемой температурой помещения и показаниями термометра. Это переводит процесс обратно в Бокс b и дает старт другому подгоночному циклу. Следовательно, реализуется "замкнутая петля".
Самое забавное, что при гомеостазном контроле температуры, основное время реальная температура не равна идеально установленной. В качестве упрощенного примера рассмотрим систему нагрева жилища, основанную на циркуляции воды через радиатор. Если температура воздуха в доме падает из-за того, что воздух на улице стал холоднее комнатного, нагревательная система не функционирует до тех пор, пока температура в комнате не станет ниже заданной. Затем потребуется определенное время на разогрев нагревателя и на прохождение воздуха через комнату. В этот период температура комнаты продолжает уменьшаться. Следовательно, необходимо время на перемещение тепла по дому с последующим достижением месторасположения термостата. Когда термометр зарегистрирует достижение контрольной точки, он отключит генератор тепла, но радиатор некоторое время будет продолжать нарабатывать тепло, так что температура в комнате будет продолжать увеличиваться.
Если затем начнется охлаждение и температура упадет ниже контрольной, печь включится. Однако, поскольку некоторое время радиатор остается теплым и производит дополнительное тепло, охлаждение будет продолжительным. Отметим, что если температура не упадет ниже контрольной, печь никогда не будет функционировать. Аналогично, если температура не поднимется выше заданной, печь никогда не отключится. Следовательно, как показано на Рис.2.2, температура в комнате флюктуирует вокруг заданной. Эти осцилляции необходимы для возникновения сигналов генератору теплоты на выключение или включение.
Стабильность средней действующей температуры во времени достигается посредством распространения температурного непостоянства! Дело не в том, что процесс гомеостаза временами непостоянен, а в том, что отсутствие постоянства - основная часть, центральный узел его природы. Процесс гомеостаза позволяет извлечь долговременную стационарность из кратковременных флюктуаций.
Рис.2.2 Вариации амплитуд и длин волн при флюктуации гомеостазно контролируемой переменной (сплошные кривые) вокруг значения, стабильного при усреднении во времени (пунктир) [4].
Амплитуда и частота этих вариаций зависят от ряда факторов. Один из них - расстояние между радиатором и термометром, помещенным в термостат. Чем выше это расстояние, тем больше размах флюктуаций и больше длина волны (т.е. ниже частота). Другими словами, путь, обозначенный символом f на Рис.2.1 будет длиннее.
Другие влияющие факторы также представлены на Рис.2.1:
Бокс 2: Качество переходной функции, управляющей регулированием. Если выключатель имеет медленный отклик или высокий допуск для "ошибки" (большое расхождение между действующей и контрольной температурой), то флюктуации температуры будут иметь высокую амплитуду и большую длину волны (сравни кривые b и c на
Рис.2.2). Размах температур можно уменьшить, если термостат оборудовать упреждающим устройством. Оно представляет собой миниатюрный электрический нагреватель, смонтированный внутри термостата, который нагревает температурочувствительный элемент быстрее, чем основная нагревательная система нагревает дом. Устройство активируется, перед включением печи на нагрев и отключает печь до того, как будет достигнута контрольная температура. Избыток требующего тепла таким образом уменьшается.
Бокс 3: Теплотворная способность печи. Как амплитуда, так и длина волны температурной флюктуации будут малы, когда эта способность высока и когда производство тепла может включаться и прекращаться немедленно после достижения температурой установленного значения (сравни кривые а и с на
Рис.2.2).
Бокс 4: Температурные флюктуации будут тем меньше и короче, чем чувствительнее и надежнее термометр.
Интересно отметить, что малая "ошибка" и высокая чувствительность вовсе не являются желательными. Хотя флюктуации в контролируемой переменной будут уменьшены как по величине, так и по длительности, механизм нагрева будет активироваться и деактивироваться очень часто. Это приведет к быстрому изнашиванию оборудования. Поэтому здравый смысл побуждает идти на жертву, допуская некоторую величину флюктуаций. На практике, разработчики нагревателей позволяют температуре флюктуировать в таких пределах, чтобы изменения температуры были незаметными для пользователя оборудования. Другими словами, разница между пиками и провалами в температуре помещения поддерживается ниже или около "практически незаметной разницы", обозначаемой JND психологами.
В Гл. 4 будет продемонстрирована аналогия между Боксами 4, 2 и 3 (в этом порядке) и восприятием, принятием решений и действиями человека. Большая точность в квалифицированном действии достигается большим умственным усилием; платой за это будет быстрое наступление психической усталости и, как следствие, возникновение риска наделать большие ошибки в ближайшем будущем.
Представьте себе, что вы ведете машину по идеально прямой дороге. Манипулируя рулем, вы удерживаете автомобиль на курсе. Так как этого невозможно добиться с математической точностью, вы в первые же секунды обнаружите, что автомобиль отклоняется от цели и вам приходится скорректировать курс. Некоторое время спустя вы обнаруживаете другое отклонение и делаете новую коррекцию, и так далее. Большую часть времени ваш автомобиль движется к точке, расположенной или слева или справа от цели. Вы можете, конечно, попытаться уменьшить величину (амплитуду) и длительность (длину волны) ошибок наведения до абсолютного минимума, но это потребует увеличения концентрации внимания и может помешать вам заметить что-нибудь еще, важное для вождения. Поэтому вы должны не минимизировать ошибки управления, а удерживать их в обоснованных пределах. Так, ошибаться лучше, чем не ошибаться, при условии, что ошибка попадает в заданные пределы.
Оставим автомобиль и вернемся к нашему термостату на Рис. 2.1 и 2.2. Мы видели, что факторы, представленные в боксах 2, 3 и 4 на Рис.2.1, определяют размах и длительность флюктуаций температуры и объяснили, почему это так. Размах может быть больше или меньше, продолжительность короче или длиннее (Рис.2.2), но в любом случае усредненная во времени температура не зависит от чувствительности термометра, от качества переключателя и теплотворной способности печи, конечно, если оборудование вообще функционирует. Боксы 2, 3 и 4 имеют кратковременный, а не длительный эффект. Все они не влияют на то, что происходит внутри замкнутой петли.
Итак, что же влияет на усредненную температуру? На Рис.2.1 представлен только один фактор вне замкнутой петли - установочная переменная, представленная Боксом а. Следовательно, усредненная во времени температура зависит исключительно от заданной (запланированной) температуры. Эту температуру вы выбрали в качестве компромисса между соображениями комфорта и стоимостью. Таким образом, усредненная во времени температура будет соответствовать заданной температуре (снова, если оборудование функционирует).
Наконец, имеет место одна особенность гомеостаза, к которой я хотел бы привлечь ваше внимание. Она называется "обратной связью". Регулирующее влияние на печь (Бокс d Рис.2.1) очевидно определяется температурой радиатора. Однако, температура радиатора также определяется регулирующим действием печи (путем ее активации и дезактивации) и происходит это через петлю обратной связи: Бокс e--Бокс b--Бокс c--Бокс d.
Мы имеем дело с двухсторонним процессом с взаимной зависимостью и тем самым с циклической причинностью: Бокс d контролирует Бокс e и Бокс e контролирует Бокс d. Они соединяются вместе процессом "один питает другого", и эта обратная связь называется отрицательной, поскольку она уменьшает ошибку: высокая температура радиатора побуждает печь отключиться, а низкая температура радиатора приводит к включению печи [5]. Как следствие, температура радиатора будет подгоняться к заданной. Гомеостаз - самокорректирующийся механизм благодаря использованию отрицательной обратной связи.
Напротив, причинная связь между Боксами е и Боксом а только односторонняя и линейная: заданная температура управляет температурой радиатора. Здесь мы имеем дело с управлением открытой петли, т.е. с линейной причинной связью. То же самое выполняется для факторов, которые определяют требуемую температуру (Бокс 1): причинный процесс идет только в одном направлении. В этой точке процесса управления нет обратной связи.
Как мы попытаемся продемонстрировать в данной книге, эти две особенности (замкнутая и открытая петли) являются критическими для понимания причин несчастных случаев и равно важны для развития дорожной безопасности и привычек населения, благоприятствующих хорошему здоровью.
