Человеческий фактор. Том 3. Часть 1 - Сальвенди Г.
ISBN 5-03-001815-8
Скачать (прямая ссылка):
5.1. Введение
В повседневной жизни мы встречаемся с многочисленными задачами, для решения которых требуется практически постоянное участие человека-оператора. Три простейших примера — задачи управления велосипедом, автомашиной и самолетом, в каждой из которых человек является элементом обратной связи в замкнутой системе автоматического регулирования. Деятельность человека-оператора в качестве элемента обратной связи во многих технических системах имеет столь важное значение, что была разработана специальная дисциплина — теория ручного управления, возраст которой приближается уже к 40 годам. Практические основы современной теории ручного управления были заложены работами, выполненными в годы второй мировой войны и сразу после нее. В самых первых работах, вызванных к жизни потребностями разработки и усовершенствования таких систем вооружения, как бомбовые прицелы, управление артиллерийским огнем и т. п., поведение человека-оператора рассматривалось по аналогии с поведением неодушевленных элементов систем автоматического регулирования. Примененные в то время методы анализа систем с обратной связью оказались адекватными проблеме и появилась модель оператора как элемента обратной связи. Развитые впоследствии концепции теории автоматического управления стали той основой, на которой и в настоящее время работают большинство специалистов в области ручного управления [21] и кибернетики [26].
Основная тема настоящей главы — формирование описания человека-оператора на языке теории автоматического управления. Предполагается, что читатель владеет основами этой теории на уровне студента старших курсов, в противном случае в качестве справочного материала целесообразно использовать какой-либо стандартный курс, например [27]. Для прояснения общих понятий рассмотрим задачу управления автомашиной, которую поясняет рис. 5.1. Упрощенная блок-схема соответствующей замкнутой системы ручного управления показана на рис. 5.2, причем функцией обратной связи (т. е. оператора)
11 Ronald A. Hess, Department of Mechanical Engineering, University of California, Davis.
Управление с обратной связью
279
Оу.Лф - передаточные функции водителя
- угол поворота руля ~ K/s
UQ - скорость автомашины Рис. 5.2. Блок-схема замкнутой системы для задачи управления автомашиной.
является оценка реакции автомашины и ее последующее использование для формирования управления. Из рис. 5.2 видно, что водитель оценивает отклонения по направлению и по положению, а затем использует эти оценки в многоконтурной системе компенсирующего управления. Термин «компенсирующее» обусловлен тем, что для выработки управляющих воздействий служат только отклонения. В реальности, конечно, водитель использует и другую информацию, например будущее направление движения. Соответствующие более сложные задачи прогно-
280 Глава 5
зирующего управления рассматриваются в разд. 5.4, но даже простая схема компенсации, приведенная на рис. 5.2, очень полезна при определении устойчивости и других характеристик качества замкнутой системы. Возмущающее воздействие предполагается непрерывной случайной функцией времени (или подобным ей волновым детерминированным сигналом).
Блок-схема рис. 5.2 может быть преобразована к эквивалентной структуре рис. 5.3, которая обычно называется многосвязной. Различие между ними состоит в том, что на рис. 5.2 явно выделены внутренний и внешний контуры обратной связи, которые отсутствуют на рис. 5.3. Блок-схема рис. 5.2 соответствует последовательной системе, а блок-схема рис. 5.3 — параллельной. Более подробно эти типы систем будут рассмотрены в разд. 5.2.
Модель
водителя
г Возмущающее Воздействие
Модель автомашины,
ПУ
“Т
I
I
I
• + I I I
. j
ип
DytDj) - передаточные функции водителя
Рис. 5.3. Альтернативная блок-схема замкнутой системы для задачи на рис. 5.1.
Как правило, в работах в области ручного управления рассматривается одноконтурная система компенсирующего управления, образованная внутренним контуром схемы рис. 5.2 (рис. 5.4). В отличие от систем рис. 5.2 и 5.3, в которых имеются возмущающие воздействия, система на рис. 5.4 отрабатывает случайное задающее воздействие, которое в отсутствие информации о движении автомашины эквивалентно в смысле динамики человека-оператора и качества замкнутой системы возмущающему воздействию.
Первые исследователи в области ручного управления полагали, что характеристики человека-оператора в системах, аналогичных приведенной на рис. 5.4, могут быть описаны теми же
Управление с обратной связью
281
математическими средствами, что и обычные сервомеханизмы следящих систем, т. е. линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. В своей основополагающей работе [34] Тастин писал:
«Исследования, описываемые в отчете, проводились с целью определения природы реакции заряжающего в артиллерийском расчете и установления связи между его движением и ошибкой. Мы надеялись на линейность этой связи, что позволило бы по аналогии с задачей автоматического слежения применить к задаче ручного управления обычную теорию нелинейных следящих систем».
