Подставив (2.9) в уравнение баланса масс (2.4), получаем обычное в теории управления уравнение состояния для комплекса физиологических систем организма:
. (2.10)
Добавив к (2.10) уравнения выхода (который может быть как наблюдаемым, так и ненаблюдаемым), получаем окончательное описание метаболической системы как элемента БТС инженерно-физиологического типа. Оно состоит из дифференциальных уравнений состояния и алгебраических уравнений выхода:
. (2.11)
Описание (2.11) дает полное теоретическое представление о процессах в метаболической системе. Вопросы моделирования сложных систем и их идентификации интенсивно исследуются сейчас в современной теории управления.
Рассмотрим простой пример описания метаболического объекта управления в инженерно-физиологической системе. В последнее время большое внимание уделяется методам лечения сахарного диабета с помощью автоматических средств доставки инсулина в организм (искусственная поджелудочная железа). Описание объекта в этом случае должно учитывать динамику основных участвующих в метаболизме веществ – глюкозы и инсулина. Общепринятая сначала 1960-х гг. модель Боли [4]:
. (2.12)
Модель, записанная для случая введения инсулина извне со скоростью it и имеющая всего два компартмента – для глюкозы (g) и инсулина (i) в плазме крови при линейных правых частях уравнений, оказалась неадекватной новым задачам. Сегодня задача описания объекта управления в такой БТС стала одной из важнейших в решении проблемы лечения диабета с помощью автоматических дозаторов инсулина.
Аналогии, существующие между живыми организмами и машинами, издавна привлекали внимание ученых различных специальностей: от Декарта и Ламеттри до Галилея, Карио и Н. Винера. Однако вплоть до недавнего времени такие аналогии носили преимущественно умозрительный характер. Только с появлением БТС, особенно инженерно-физиологических БТС, эта аналогия стала прикладной, практически значимой.
Современное представление об организме как аналоге технической системы тяготеет, скорее, к большому биохимическому производственному комплексу. Продукция этого комплекса, потребляемая клетками самого организма, производится генетически управляемыми сборочными цехами (внутриклеточными структурами). Материалы для сборочных цехов поставляют биохимические системы в результате процессов анаболизма. Снабжение и транспортное обслуживание обеспечивает физиологический комплекс организма, который доставляет производству сырье и топливо (доставка окислителя в технике характерна, скорее, для отдельных агрегатов, чем для целых производств). Эти же системы отводят за пределы производственного комплекса конечные продукты – отходы производства. Управление всем этим комплексом производится высшими кибернетическими уровнями организма в соответствии с «долгосрочными» и «текущими» программами. Помощь со стороны технических средств, включаемых в состав БТС, в различных ситуациях могут получать практически все системы организма. На рис. 2.4 показаны основные типы технических средств и аппаратов, применяемых для помощи системам организма в биотехнических системах инженерно-физиологического типа.
Рис. 2.4 – Технические средства, используемые для коррекции и поддержания функций организма
Создание средств, поддерживающих жизнедеятельность организма и его работоспособность в сложных производственных условиях, в космической и подводной среде, в медицинской клинике стало одним из важных и перспективных направлений современной науки, требующей пристального внимания специалистов разных дисциплин.
2.2. Анализ работы и моделирование систем замещения и восстановления утраченных функций организма
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.