Необходимо указать еще на одно важное свойство обратной связи — на эффект запаздывания. Суть его в том, что все события развиваются во времени. Следовательно, от момента поступления задающего сигнала на управляющее устройство до момента поступления управляющего сигнала по прямым связям на управляемую величину (выход) должно пройти какое-то время. Время требуется и для поступления сигнала по обратной связи. Значит, какова бы ни была скорость «оборачиваемости» потока информации в замкнутом контуре регулирования, сигнал обратной связи всегда будет запаздывать. Поэтому всегда будет запаздывать и его коррегирующее воздействие на управляющее и управляемое устройство. Так как компенсирующий эффект сигналов обратной связи пропорционален возмущению, их вызвавшему, то за время, в течение которого происходит включение коррегирующих механизмов, продолжающееся действие возмущающего фактора приводит к накоплению ошибок. Вот почему новая реакция системы на следующее возмущение реализуется в «неблагоприятных» условиях систематического запаздывания. Это, разумеется, умножает величину и интенсивность накопления ошибок. В результате возникают колебания в реакциях системы. Она самовозбуждается. Соответственно степени самовозбуждения изменяется эксплуатация механизмов управления и регулирования, в том числе и каналов обратной связи. Здесь возможно оптимальное регулирование и перерегулирование. Последнее бывает в двух формах: перерегулирование в сторону чрезмерного сглаживания (загомеостазирование амплитудно-частотных характеристик реакций биосистемы на возмущение при повышенной относительно оптимальной оборачиваемости процессов в замкнутом контуре регулирования) и перерегулирование в сторону выхода амплитудно-частотных характеристик за пределы зоны насыщения (разгомеостазирование). В основе механизма разгомеостазирования, по-видимому, лежит преимущественно замедление оборачиваемости процессов в контуре регулирования.
Однако подобные грубые отклонения гомеостатического оптимума в биосистемах — явление чрезвычайное. Оно почти всегда сопровождается возникновением патологических состояний. Устойчивость биосистем при этом объясняется принципиальной, особенно в отношении обратных связей, нелинейностью их ответов па возмущения, а также «эффектом упражнения». Именно нелинейность и упражняемость — меры, эволюционно выработанные для поддержания колебаний на уровне оптимальности при контакте биосистемы со средой.
Необходимо обратить внимание, что в многоконтурных системах регулирования содружественность взаимодействий цепей обратных связей в конечном итоге определяется не только их формальным содружеством, функциональной однонаправленностью, но и функциональной разнонаправленностью относительно друг друга.
Теоретически в живых объектах можно выделять одно-, дву-… и -контурные системы управления и регулирования как функций отдельных элементов, так и организма в целом. Практически живые объекты имеют функционально взаимосвязанные многоконтурные системы автоматического регулирования. Всегда на любые возмущающие воздействия реагируют все контуры с формально разной степенью активности, фактически необходимой в каждом отдельном случае.
Принцип действия замкнутого контура состоит из следующих этапов.
- На вход (например, воспринимающие приборы-рецепторы) объекта управления — регулирования (например, скелетная мышца) поступает возмущающее воздействие (химическое раздражение — молочная кислота, в избытке образовавшаяся в результате длительной работы этой мышцы и вызывающая болевое ощущение).
- На выходе системы (мышцы) — управляемая величина (сокращение).
- Сильное сокращение сопровождается усилением болевых ощущений, возникает защитная реакция, сигнал с сокращающейся мышцы по обратной связи поступает в управляющее устройство (функции его выполняют соответствующие отделы центральной нервной системы), затем происходит оценка качества поступившего сигнала, его биологического значения, и в результате управляющее устройство оказывает на объект управления тормозящее воздействие, используя известные способы торможения.
Вследствие этого управляемая величина (сокращение) на выходе уменьшается, благодаря чему снижается болевое ощущение, о чем по обратной связи информируется управляющее устройство. Таким образом, саморегуляция действительно осуществляется по принципу работы замкнутого контура. Данному принципу подчиняется и работа рефлекторной дуги. Здесь описана отрицательная обратная связь. Она называется так потому, что вызывает ослабление управляемой величины (работы органа). Если же обратная связь усиливает работу того или иного органа, то она будет положительной. Отрицательные обратные связи, как правило, сохраняют устойчивое, стабильное, гомеостатическое состояние биосистемы. Это, если можно так выразиться, преимущественно функционально щадящие связи, так как благодаря им первоначальное отклонение в управляемой величине, вызванное возмущающим воздействием, уменьшается. Положительные же обратные связи в большинстве своем приводят к неустойчивой работе системы в целом.