Системы стабилизации и пропорциональные системы.

Существует множество типов различных систем, но их можно разбить на две большие основные группы – системы стабилизации и пропорциональные системы, которые различаются по своим задачам. У первых результат действия всегда сохраняется один и тот же (стабильный), не зависит от силы внешнего воздействия, но зависит от уставки. Например, рН крови должен быть всегда равен 7,4 и АД – 120/80 мм Hg, и т.д. (системы гомеостаза), независимо от внешних воздействий.

У вторых результат действия зависит от силы внешнего воздействия по какому-либо определённому закону, задаваемому уставкой, и пропорционален ему. Например, чем больше мы выполняем физической работы, тем больше мы должны потреблять О₂ и выделять СО₂.

Система стабилизации использует два рецептора – «Х» и «Y». Рецептор «X» используется для запуска системы в зависимости от наличия внешнего воздействия, а рецептор «Y» – для измерения результата действия. На вход уставки блока управления системы стабилизации подается уставка – задание, какой величины должен быть результат действия. Система стабилизации должна выполнять это задание, т.е., поддерживать (стабилизировать) результат действия на заданном уровне, независимо от силы внешнего воздействия. Т.е., при любой величине внешнего воздействия величина результата действия должна быть одной и той же.

Стабильность результата действия обеспечивается ООС. Должный результат действия задаётся в «базу данных» блока управления и работа системы осуществляется по логике ООС – если результат действия увеличился, то нужно уменьшить его, если уменьшился, то увеличить его. ППС запускает систему, а ООС отслеживает величину результата действия. Следовательно, простейший блок управления, содержащего только ППС, для систем стабилизации не подходит. Как минимум нужен простой блок управления, который содержит также и ООС.

ООС в системе стабилизации постоянно измеряет результат действия системы и передаёт его в блок управления, который сравнивает его с заданным. В случае расхождения результата действия с заданием этот блок принимает решение о тех или иных действиях и заставляет элементы исполнения действовать таким образом, чтобы это расхождение исчезло.

Внешнее воздействие может меняться в различных пределах, но результат действия должен оставаться стабильным и быть равным заданному. На это система затрачивает свои ресурсы. Если ресурсы заканчиваются, система стабилизации перестаёт стабилизировать результат действия и с этого момента начинается её недостаточность (рис. 24А, 26А).

А В

Рис. 24. Функции системы стабилизации (А) и пропорциональной системы (В).

У системы стабилизации до вертикальной пунктирной прямой результат действия системы стабильный (нормальная функция, кривая идёт горизонтально). После пунктирной прямой функция падает (возрастает), – стабилизация нарушилась (недостаточность функции).

У пропорциональной системы до вертикальной пунктирной прямой её функция нарастает (падает) пропорционально внешнему воздействию (нормальная функция). После пунктирной прямой функция не меняется (вошла в насыщение, перешла в плато - недостаточная функция).

Система стабилизации артериального давления (ССАД) является примером систем стабилизации. Её задача – поддерживать АД на заданном уровне, независимо от уровня физической нагрузки и внешних условий. Но мы видим повышение АД на пике нагрузки (нестабильное АД)! Может быть ССАД не является системой стабилизации?

Нет, ССАД является системой стабилизации, потому что во время выполнения физических нагрузок АД практически не меняется вплоть до появления порога анаэробного обмена (ПАО, вертикальная пунктирная прямая на графиках, рис. 24А, 24В и 25B). Следовательно, до ПАО АД стабильно, ССАД смогла выполнять свои функции. По мере нарастания нагрузки увеличивается число включаемых в кровообращение сосудистых микроциркуляторных сегментов – функциональных единиц перфузии (ФЕП), и общее периферическое сосудистое сопротивление (ОПСС) падает (рис. 25В). ФЕП являются системными функциональными единицами ССАД. В какой-то момент резерв этих ФЕП заканчивается и ОПСС перестаёт падать, хотя нагрузка продолжает увеличиваться. С этого момента кончаются ресурсы ССАД и начинается её недостаточность.

Потому и появляется ПАО. Пока было падение ОПСС, левому желудочку сердца было легко наращивать сердечный выброс и увеличивать кровоснабжение тканей. Но как только резерв ФЕП заканчивается, ОПСС перестаёт падать, хотя левый желудочек продолжает наращивать свои насосные функции и сердечный выброс продолжает нарастать.

А В С

Рис. 25. Система кровообращения в покое (А) и в нагрузке (С)..

В покое работает только часть ФЕП, поэтому ОПСС (peripheral vascular resistance) высокое. В нагрузке сердечный выброс нарастает, но нарастает и число перфузируемыз ФЕП и ОПСС снижается, поэтому АД не меняется. Когда резервы ФЕП заканчиваются ОПСС переходит в плато, появляется порог анаэробного обмена (вертикальная пунктирная линия) и АД начинает возрастать.

По оси Х – VCO₂, потому что по мере нарастания нагрузки VCO₂ нарастает. Вертикальная пунктирная прямая – порог анаэробного обмена, который указывает на появление кардиоваскулярной недостаточности.

Поэтому с этого момента и АД начинает возрастать. Но с этого момента левому желудочку уже не так легко проталкивать всё большие объёмы крови через не меняющийся суммарный диаметр микрососудов. Возникает отставание насосных функций сердца от ожидаемых (от должных, целевых) и из-за недостатка снабжения тканей кислородом в крови появляется молочная кислота, которая является признаком недостаточности кислородного снабжения в тканях (анаэробные процессы). Следовательно, подъём систолического и среднего артериального давления после появления ПАО происходит не потому, что так должно быть, а потому, что ССАД имеет ограниченные биологические ресурсы.

Примерами систем стабилизации являются также все системы гомеостаза организма (газы крови, электролиты крови – К+, Na+, система стабилизации температуры и др.).

Пропорциональная система также должна использовать оба рецептора «Х» и «Y» (ППС и ООС). Один из них измеряет входное воздействие а другой – результат действия системы. На вход блока управления подается уставка – задание, какой должна быть пропорция между внешним воздействием и результатом действия. Поэтому такие системы называются пропорциональными. Внешнее воздействие может меняться в различных пределах. Но блок управления должен подстраивать работу элементов исполнения таким образом, чтобы сохранялась та пропорция между внешним воздействием и результатом действия, которая была «предписана» (задана) в уставке.

А В

Рис. 26. Примеры реакций систем стабилизации (А) и пропорциональных систем (В).

Тест с максимальной физической нагрузкой у спортсмена. На оси Х отложена величина минутного выделения СО2 (VCO2), которая нарастала пропорционально росту нагрузки. Чётко видны точки перегиба кривых. Точки перегиба во всех случаях означают начало недостаточности функции. Серым фоном обозначены зоны недостаточности функций. Артериальное давление (blood pressure) до ПАО не меняется.

Если пропорция сохраняется, на графике функции будет отмечаться нарастание (падение) кривой (нормальная функция, рис. 24B, 26B) Но если ресурсы системы исчерпаны, она не сможет сохранять необходимую пропорцию между внешним воздействием и результатом действия. С этого момента она не сможет наращивать (снижать) свои функции пропорционально входному внешнему воздействию и кривая её функции перейдёт в плато (недостаточная функция, рис. 24B, 26B).

Примерами пропорциональных систем являются, например, усилители электрических сигналов, механические рычаги, морские течения (чем больше прогрев воды в океане, тем сильнее Гольфстрим), атмосферные явления и т.д.

Примерами такого рода систем могут быть сами сенсоры, поскольку величина их результата действия (частота импульсации, амплитуда напряжения, и т.д.) пропорциональна внешнему воздействию.

Система обмена метаболических газов (СОМГ), система внешнего газообмена (СВГ) и система кровообращения (СК) являются примерами пропорциональных биологических систем нашего организма. В ответ на увеличение физической нагрузки они наращивают свои функции.