Лекция 2. Введение в биофизику сложных систем: БИОКИБЕРНЕТИКА; ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ; ТЕОРИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ г

часть 1. Биокибернетика. Теория связи и теория информации.

1.1. ЧТО ТАКОЕ БИОКИБЕРНЕТИКА?

Кибернетика [kybernetike – греч. Искусство управления] – это наука об общих законах связи и управления в разнообразных системах: технических устройствах, живых организмов, сообществах живых организмов, человеческом обществе.

Кибернетика возникла на базе: 1)разработки теории автоматического регулирования и развития радиоэлектроники, включая развитие ЭВМ; 2)применением теории вероятностей к исследованию передачи и преобразования информации – то есть развитием теории информации.

Основным количественным понятием Кибернетики. является информация.

сущность кибернетики состоит в ИССЛЕДОВАНИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ в машинах, организме, сообществах организмов, социуме.

Фундаментом кибернетики являются разделы математики: теория вероятностей, теория множеств, теория игр, математическая логика, теория алгоритмов.

В настоящее время живой организм представляют как сложную саморегулирующуюся систему, обменивающуюся веществом, энергией, информацией с окружающей средой.

Информационные процессы – управление и регулирование являются определяющими в организме.

информация в сложной системе является первичной моделью на основе которой происходят все процессы.

исправление Любой патологический процесс в организме, равно как и любая экологическая «авария» или «экологическая катастрофа» с точки зрения кибернетики считается рассогласованием или нарушением регулирующих систем организма, а «лечение» представляет собой исправление или компенсацию этих нарушений.

Жаль только жить в это время прекрасное уж не придется ни мне, ни тебе!

1.2. ТЕОРИЯ СВЯЗИ И ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ.

Система – это организованный комплекс элементов, связанных друг с другом и выполняющих определенные функции в соответствии с программой всей системы.

Программа – это последовательность изменений системы в пространстве и во времени, заложенная (заранее) в структуре самой системы.

Связь элементов в системе (с точки зрения К.) – взаимодействие элементов друг с другом, в процессе которого они обмениваются веществом, энергией, информацией.

сущность кибернетики состоит в исследовании процессов управления.

для К. связь – это лишь передача информации от одного элемента системы к другому. Связь состоит в восприятии, хранении и передаче информации.

Устройство регулирующее связь, называется системой связи. Система связи, обычно, состоит из 5 частей Источник сообщений – передатчик – канал связи (+источник помех)приемник получатель.

Пример: книга глаза нервы подкорковые зрительные центры кора больших полушарий.

Источник помех Источник сообщения канал Передатч ик приемник Полу- чатель сообщение сигнал сообщение Рис.1. схема обобщенной системы связи.

Сообщения : дискретные и непрерывные.

Сигнал – это материальный носитель сообщения.

Канал связи – это та среда, в которой осуществляется передача сигналов.

информация несомая сигналом является моделью управляемого процесса, а сигнал лишь модулирует «свой» высокоэнергетический процесс.

Преобразование сообщения в сигнал и преобразование одних сигналов в другие (например для пригодности или приспособления передачи по данном у каналу) называется кодированием. Декодирование – процесс превращения сигнала в сообщение

КОД -- совокупность элементов или элементарных структурных звеньев кодирования: символов и позиций.

В результате кодирования между исходным сообщением и возникающими при кодировании сигналами устанавливается однозначное соответствие. данное свойство наз. ИЗОМОРФНОСТЬЮ

Количество информации.

Количественной мерой сообщений является ИНФОРМАЦИЯ. информация -- мера количества неопределенности, которое устраняется после получения сообщения. Мерой неопределенности событий служит, специально введенное понятие ЭНТРОПИИ.

Информация содержащаяся в сообщении численно равна энтропии исчезающей после получения сообщения. БИТ – двоичная единица (при N=2)

уравнение Шеннона: Что соответствует 4 бит информации

Часть 2 ТЕОРИЯ РЕГУЛИРОВА- НИЯ.

Схема саморегулирующейся системы с отрицательной обратной связью.

Управляющая часть Аппарат сравнения Устройство управления Объект управления Регулируемая величина Х Обратная связь Измерительное устройство От высшего центра регуляции F Х У Х

f –программа. (f-x)= - рассогласование. У – сигнал управления. Х – результат действия (значение регулируемой величины).

«управление – это процесс перевода системы из одного состояния в другое путем воздействия на ее переменные.»

время Х Начальное рассогласование перерегулирование F=const А время Х Начальное рассогласование перерегулирование F= f(t) Б Рис.3. график процесса регулирования: А - регулирование по статической программе; В - регулирование по динамической программе. Х- значение регул.величины.

любая система управления может быть охарактеризована особенностями:

1) прямой связью между управляющей и управляемыми частями, по которой поступают сигналы управления;

2) обратной связью управляемой и управляющей частей системы, которая позволяет контролировать процесс управления и производить его коррекцию;

3) переработкой информации о текущей состоянии управляемого объекта, поступающей по каналам обратной связи, в устройстве управления и осуществляемой при посредстве аппарата сравнения.

DIXI (THEE ND)