Самоорганизация как процесс с обратной связью

Самоорганизация как процесс с обратной связью [c.68]

Уже давно поставлена задача получения материалов, структурно и функционально подобных живым организмам или природным органическим материалам, однако до сих пор она остается нерешенной. Это связано с тем, что сама по себе эта задача является комплексной и требует для своего решения междисциплинарного подхода с объединением усилий специалистов различного профиля для интеграции достижений в смежных науках, в том числе и в биологии. Синергетика, являющаяся теорией самоорганизации диссипативных структур в живой и неживой природе, объединила методологией и единым математическим аппаратом различные научные направления, изучающие эволюцию систем, находящихся вдали от термодинамического равновесия. Такие системы обладают общим (универсальным) свойством самоорганизации диссипативных структур в процессе обмена энергией и веществом с окружающей средой [26]. При этом в системе происходят неравновесные фазовые переходы, наблюдаются динамическая нелинейность и резонансные возбуждения. Все эти свойства характерны для системы с обратными связями. Это означает, что создание конструкционных материалов, функционально подобных живым организмам, требует разработки теории управления обратными связями, заложенными в электронном спектре сплава [13]. Обратные связи в металлах, как и в живой природе, функционируют при постоянной подаче в систему энергии. [c.237]

Так что, роль обратной связи в кибернетических системах многофункциональна она обеспечивает и управление, и самоорганизацию, и иерархию эволюционных процессов системы. По своей сути принцип кумулятивной обратной связи отражает объективное свойство системы (неразрывно связанное с информацией) существовать как целостный, живущей своей жизнью , системой с присущими ей свойствами [4]. [c.33]

Будучи эквивалентными системе Лоренца (см. п. 3.3), уравнения (1.166), (1.170), (1.171) представляют эволюцию системы, течение которой определяется внешним воздействием с и временами релаксации Т ,, т,,те. Характерная особенность этих уравнений состоит в том, что выражение (1.166) является линейным, тогда как нелинейные слагаемые в (1.170), (1.171) имеют противоположные знаки. С физической точки зрения это означает, что на начальном этапе безразмерное значение отклонения плотности 7] сводится к источнику 3, определяемому выражением (1.165), а затем становится существенной обратная связь, отражаемая нелинейными вкладами. Отрицательный знак перед последним слагаемым в уравнении (1.171) является проявлением принципа Ле-Шателье, согласно которому рост вариации плотности т/ и источника в приводит к спаданию управляющего параметра б, которое, в свою очередь, препятствуют самоорганизации. Напротив, положительная обратная связь величин >7 и е с 5 в уравнении (1.170) способствует росту сопряженного поля 3, а следовательно, и процессу самоорганизации. [c.82]

Основы теории самоорганизации заложены в 30-40 годах прошлого века применительно к живой природе. Развитие кибернетики, а затем синергетики как теории самоорганизующихся структур предопределило универсальность механизма самоорганизации, являющегося общим как в живой, так и в неживой природе. В основе этой теории лежит принцип минимума производства энтропии, объясняющий процессы самоорганизации диссипативных структур с реализацией обратной внутренней связи. Роль этих связей играют структурные элементы, контроль за которыми позволяет управлять свойствами материала. [c.542]

Процесс разрушения, как показано в [10], является неравновесным фазовым переходом. Поэтому можно считать, что процесс самоорганизации диссипативных структур носит циклический характер, подчиняющийся закономерности удвоения периода, а система в виде деформируемого твердого тела является сис емой с обратной связью. Это означает, что циклический характер процесса разрушения, связанный с неравновесными фазовыми переходами в точках бифуркации, самовоспроизводится. При переходах устойчивость-пеустойчивость-устойчивость значение предыдущей итерации является начальным значением для следующей. [c.72]

Наиб, интересные свойства О. с, выявляются при нелинейных процессах, когда в О. с. возможно осуществление термодинамически устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далёких от состояния термодинамич, равновесия и характеризующихся определённой пространственной или временной упорядоченностью (структурой), к-рую наз. диссипативной, т. к. её существование требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Нелинейные процессы в О. с. и возможность образования диссипативных структур исследуют на основе ур-ний хим. кинетики баланса скоростей хим, реакций в системе со скоростями подачи реагирующих веществ и отвода продуктов реакций. Накопление в О. с, активных продуктов реакций или теплоты может привести к автоколебательному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого необходимо, чтобы в системе реализовалась положительная обратная связь ускорение реакции под воздействием либо ее продукта (хим. автокатализ), либо теплоты, выделяющейся при реакции. Подобно тому как в колебат. контуре с положит, обратной связью возникают устойчивые саморегулирующиеся незатухающие колебания (автоколебания), в хим. О. с. с положит, обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся хим. реакции, Автока-талитич. реакции могут привести к неустойчивости хим. процессов в однородной среде и к появлению у О. с. ста-ционарны.х состояний с упорядоченным в пространстве неоднородным распределением концентраций. В О. с. возможны также концентрац. волны сложного нелинейного характера (автоволны.). Теория О. с. представляет особый интерес для понимания физ.-хим. процессов, лежащих в основе жизни, т. к. живой организм — это устойчивая саморегулирующаяся О. с., обладающая высокой организацией как на молекулярном, так и на макроскопич. уровне. Подход к живым системам как к О. с., в к-рых протекают нелинейные хим. реакции, создаёт новые возможности для исследования процессов молекулярной самоорганизации на ранних этапах появления жизни. [c.488]

Хотя в различных активных системах [180] процессы активации и ингибирования имеют совершенно различную природу, механизмы самоорганизации, действующие в этих системах, достаточно универсальны. Спонтанное образование диссипативных структур (автоструктур) в идеально однородных распределенных активных средах связано с тем, что в них по активатору 0 осуществляется положительная обратная связь, приводящая к его нарастанию. Процесс нарастания активатора контролируется ингибитором ф, по которому осуществляется отрицательная обратная связь. При этом стационарные диссипативные структуры образуются в том случае, если процесс ингибирования, по сравнению с активацией, является более дальнодействующим, т.е. характерная длина в рассматри- [c.116]

Как и другие сильнонеравновесные процессы в открытых системах, МЛ характеризуется стадийностью, причем переход от одной стадии к другой связан со сменой механизма диссипации энергии. Поэтому такие процессы, как фрагментация (дробление) частиц, холодная сварка фрагментов, формирование и дробление сваренных фрагментов, образование равноосных частиц, сварка равноосных частиц, являются способами диссипации энергии. Дробление частиц повышает энтропию системы, а сварка обеспечивает локальный отток энергии. Самоорганизация процессов при МЛ возникает в результате действия обратных связей при кооперативном взаимодействии процессов диссипации энергии на микро-, мезо- и макроуровнях. МЛ относится к процессам, в которых за макроскопическими эффектами стоит сложное поведение на микроскопическом (атомном) уровне. [c.323]

Однако получение материалов с заданными свойствами возможно только в условиях далеких от равновесия, обеспечивающих самоорганизацию диссипативных структур, что сопровождается нарушением симметрии исходного состояния. Именно процессы самоорганизации обеспечивают возможность управления свойствами неорганических материалов. Это связано с тем, что в условиях далеких от равновесия обеспечивается самооптимизация иерархической мультифрактальной структуры системы путем организации наиболее эффективного обмена энергией и веществом как в пределах самой системы, так и с окружающей средой. Самооптимизация осуществляется путем активизации в системе обратных связей. Такой подход позволил выделить в науке о материалах магистральное направление — фрактальное материаловедение. [c.362]

Кроме того, изнашивание есть процесс с обратной связью. Одной из характеристик, упрувляющйх этим процессом, является микрогеометрия поверхности. С одной стороны, параметры шероховатости влияют на напряжённое состояние и разрушение поверхности, а с другой - формирующийся при изнашивании рельеф поверхности определяется характером её разрушения. Процессы самоорганизации и формирования равновесных структур при изнашивании как раз и являются проявлением действия обратной связи. Как было показано многими исследователями (см. [91, 141, 147]), при изнашивании на поверхности формируется равновесная шероховатость, являющаяся типичным примером формирования равновесной структуры в процессе самоорганизации. [c.317]

Детерминированный хаос характеризуется наличием периодического процесса, траектория которого воспроизводится, т.е. после повторения начального состояния вновь воспроизводится одна и Та же траектория, независимо от ее сложности. Это позволяет по параметрам одного из периодов повторения траектории прогнозировать будущее. Однако при этом необходимо учитывать свойства равновесных и неравновес-ных систем. Неравновесные открытые системы допускают новые структурные состояния. Диссипативные системы независимо от вида устойчивости вызывают уменьшение фазового объема во времени до нуля. Так что диссипативная система может переходить в упорядоченное состояние в результате неустойчивости предыдущего неупорядоченного состояния. Первоначально устойчивая диссипативная структура в процессе своей эволюции достигает критического состояния, отвечающего порогу устойчивости структуры, начинает осцилировать, а возникающие в ней флуктуации приводят к самоорганизации новой, более устойчивой структуры на данном иерархическом уровне эволюции. При этом важным является тот факт, что как и в биологических системах, переходы устойчивость - неустойчивость - устойчивость контролируются кумулятивной обратной связью. Она отличается от регулируемой извне обратной связью тем, что позволяет самоорганизовывать такую внутреннюю структуру, которая повышает степень ее организации. Таким образом, кумулятивная обратная связь за счет накопленной внутренней энергии позволяет системе осуществлять не просто обратное взаимодействие, учитывающее полученную информацию о предыдущем критическом состоянии, но и обеспечивать сохранение или повышение организованности структуры. Такой характер эволюции динамической [c.21]

Иванова B. ., Оксогоев А.А., Дондоков А.Н. Алгоритм самоорганизации устойчивых структур в режиме самоуправления и управления в сплавах с обратной связью. // В книге Моделирование процессов в синергетических системах , Томск ТГУ, 2002, с. 317-320. [c.52]

Этот вывод отражает одно из важнейших свойств синергетических систем - проявлять последовательность бифуркаций при переходе от регулярных структур к пространственному хаосу . В процессе такого перехода происходит самоорганизация диссипативных структур с квазикристал-лической симметрией с осями 5-, 7-, 10-, 11-го и даже более высокого порядка. Существует фундаментальная вязь м Лду размерностью подобия фрактальных структур и золотым отношением, контролирующим меру устойчивости симметрии системы [17]. Далее будет показано, что процесс самоорганизации аморфных фаз и их эволюция во времени и пространстве контролируется мерой адаптивности системы к переохлаждению, связанной с мерой устойчивости симметрии системы и кодом обратной связи. Она обеспечивает в процессе эволюции системы сохранение в твердой аморфной фазе топологии расположения атомов расплава. [c.138]

Изложенное выше позволяет получить похожие и достаточно естественные трактовки явлений временного и пространственного порядка, а также противоположных им тенденций временного и пространственного хаоса. По-видимому, помимо этих двух типов эволюции динамических систем — синхронизации и стохастичности — можпо и целесообразно говорить и еще об одном типе эволюции — самоорганизации. Явления самоорганизации едва ли следует сводить к временному и пространственному порядку. По видимому, следует, напротив, подчеркнуть тот новый смысл, который она привносит,— возможность процессов, приводяпрх к возникновению структур, устойчивых по отношению к более или менее значительным и разнообразным изменениям внешних условий и, наконец, структур, способных к росту и распростра-пепию. Сводить самоорганизацию к той или иной временной и прострапственной упорядоченности, возможно, не следует еще и потому, что в их основе лежат качественно разные механизмы. Синхронизация — это проявление устойчивости во взаимодезг ствующих подсистемах, а самоорганизация — это проявление управляющих и организующих функций обратных связей, которые целесообразно рассматривать с информационной точки зрения. [c.56]

С математической точки зрения наиболее простая схема описания самоорганизующейся системы представляется известной схемой Лоренца [7]. Она представляет три дифференциальных уравнения, выражающие скорости Г], к, S изменения величин rj, h, 5 через их значения. Характерная особенность этих выражений состоит в том, что все они содержат диссипативные слагаемые, величины которых обратно пропорциональны соответствующим временам релаксации r,j,Ti Ts. Обычно при исследовании термодинамики фазового перехода принимается адиабатическое приближение г/,, < г,,, означающее, что в ходе своей эволюции сопряженное поле h t) и управляющий параметр 5(i) изменяются настолько быстро, что успевают следовать за медленным изменением параметра порядка ri(t) [1]. При этом эволюция системы описывается уравнением Ландау—Халатникова, в котором роль свободной энергии играет синергетический потенциал. В результате синергетический подход сводится к феноменологической схеме фазового перехода. Отличие состоит в том, что в синергетических системах процесс самоорганизации происходит в области больших значений управляющего параметра 5, а в термодинамических — в низкотемпературной. Таким образом, величина S не сводится к температуре. Кроме того, если для термодинамических систем температура среды совпадает с ее значением для термостата, то для синергетических отрицательная обратная связь между параметром [c.19]

Равновесное состояние макроструктуры трещиноватости связано с самоорганизацией - основным свойством больщих систем, к которым относится геосреда. Сущность самоорганизации геосреды вкратце заключается в следующем. В геосреде, как в большой открытой системе, постоянно идут различные геологические процессы, каждый из которых в отдельности способствует росту энтропии системы. Однако взаимовлияние этих процессов проходит по схеме отрицательной обратной связи, предотвращающей прогрессирующую автогенерацию, которая наблюдается при положительной обратной связи и является причиной само- [c.154]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...