8.10. Полуавтоматические (эргатические) системы управления

Характеристика полуавтоматических систем управления. Математическая модель человека-оператора

В замкнутый контур полуавтоматической системы входит как элемент системы человек-оператор (рис. 8.48). Примером такой системы может служить полуавтоматическая система экстраполяции координат, система управления положением одной из осей летательного аппарата и т. д. Оператор с помощью визуального устройства сравнивает входную и выходную величины (задающее воздействие и управляемую величину), выявляет ошибку и уменьшает или устраняет ее с помощью соответствующих управляющих движений (перемещением рукоятки кнюппельного механизма, вращением штурвала). От действия человека-оператора зависят динамические свойства системы в целом. Поэтому его реакция должна быть согласована с требованиями устойчивости, динамической точности системы. Человек, участвующий в каком-либо процессе и имеющий возможность активно вмешиваться,

Рис. 8.48. Функциональная схема полуавтоматической системы.

старается оптимизировать этот процесс. Для того чтобы можно было осуществить анализ и синтез замкнутой системы, содержащей чело-века-оператора, необходимо математически описать выполняемые им функции, представить человека-оператора в виде комбинации известных динамических звеньев и определить его передаточную функцию, т. е. найти математическую модель человека-оператора.

Математическая модель человека-оператора зависит от выполняемых им действий, от условий работы, вида входных воздействий, динамики управляемого процесса и т. д. Поэтому невозможно получить универсальную модель человека-оператора. Однако поведение человека-оператора независимо от выполняемых им операций и условий работы определяется следующими характеристиками [70, 77]:

1) наличием чистого запаздывания равного времени реакции человека-оператора;

2) фильтрацией низких частот (ослаблением высоких частот оператором, выполняющим отслеживание);

3) способностью оператора изменять свою передаточную функцию с изменением задачи управления и в процессе его обучения;

4) способностью оператора чувствовать изменение параметров управляемого объекта и окружающей среды и соответственно изменять свои параметры;

5) способностью человека-оператора предвидеть будущие значения по предыдущим (способность экстраполяции) при отслеживании;

6) относительной стабильностью характеристик оператора при достаточном времени его обучения и работы и при решении сравнительно простых задач.

Полуавтоматическая импульсная система экстраполяции

В рассматриваемой системе (рис. 8.49, а, б) в дискретные моменты времени на экране индикатора кругового обзора ИКО радиолокационной станции РЛС высвечивается отметка от цели и отметка, соответствующая координатам вырабатываемым системой экстраполяции — маркер М. Перемещая рукоятку кнюппельного механизма оператор совмещает маркер с отметкой от цели, т. е. устраняет отклонение.

Найдем передаточную функцию человека-оператора полуавтоматической системы экстраполяции плоскостной координаты в режиме устранения ошибки по положению и уточнению скорости (в режиме ввода корректуры по координате и по скорости).

Входной величиной оператора является отклонение маркера от отметки от цели (ошибка), а выходной — угол поворота ротора тахогенератора BR. Можно считать, что угловая скорость перемещения рукоятки кнюппельного механизма а следовательно, угловая скорость ротора пропорциональны отклонению где — время запаздывания реакции оператора на внезапно появившийся сигнал ошибки. Последнее уравнение в операторной форме имеет вид откуда передаточная функция человека-оператора

Рис. 8.49. (см. скан) Схемы полуавтоматической системы экстраполяции: а — принципиальная; б — функциональная; в — структурная.

т. е. оператор представляется интегрирующим звеном и звеном запаздывания.

Наличие интегрирующего звена в передаточной функции оператора можно объяснить, рассматривая работу оператора и системы в целом. Оператор при наличии отклонения маркера от отметки цели (при поступлении ошибки на вход оператора) перемещает рукоятку кнюппельного механизма и тем самым вращает ротор тахогенератора и изменяет угол его поворота до тех пор, пока зрительно наблюдаемая им на экране ИКО ошибка не станет равной нулю. Из этого следует, что система с оператором является астатической, т. е. содержит интегрирующее звено. Как видно из структурной схемы системы (рис. 8.49, в), часть системы без оператора описывается передаточной функцией т. е. представляет собой пропорциональное звено. Поэтому интегрирующее звено относится к оператору.

Передаточная функция системы экстраполяции в режиме ввода корректуры в разомкнутом состоянии в соответствии с ее алгоритмической схемой (рис. 8.49, б) и с учетом формулы (8.95) имеет вид

С приобретением опыта оператор при перемещении рукоятки кнюппельного механизма учитывает не только величину, но и скорость изменения ошибки, поэтому его действия в этом случае описываются следующим уравнением:

или в операторной форме

откуда передаточная функция опытного оператора

где

Коэффициенты зависят от динамических свойств других элементов системы, постоянная времени запаздывания с [77].

Передаточная функция системы рис. 8.48, в при опытном операторе

где

Дальнейшее исследование системы в режиме ввода корректуры, а также полной системы экстраполяции можно выполнить с помощью известных методов теории автоматического управления.

Введение в системе экстраполяции корректуры по координате и по скорости. Рассмотрим, как вводится корректура по положению и по скорости в систему экстраполяции с помощью полуавтоматической системы (рис. 8.49). Во время перемещения оператором рукоятки кнюппельного механизма с целью устранения ошибки на выходе тахогенератора возникает импульс напряжения Этот импульс напряжения поступает на интегратор системы (рис. 8.49). Напряжение на выходе интегратора пропорционально площади импульса напряжения тахогенератора

Напряжение поступает на . Под его влиянием перемещается маркер на величину ошибки т. е.

где — соответственно координаты цели и маркера, или в принятых ранее обозначениях Отсюда следует, что площадь импульса напряжения тахогенератора пропорциональна ошибке системы (первой разности), возникающей за время одного оборота антенны

Импульс напряжения тахогенератора поступает не только на интегратор рассматриваемой системы (рис. 8.49), но одновременно

подается также на интеграторы системы экстраполяции (рис. 8.46, а). При поступлении импульса напряжения на выходной интегратор напряжение на его выходе и системы, соответствующее изменяется на величину ошибки (вводится корректура по координате) (рис. 8.46, в, кривая и тем самым устраняется ошибка системы экстраполяции по положению. При этом формируется первый член закона экстраполяции

Ошибка воспроизведения возникает за время Т одного периода вращения антенны поэтому, как отмечалось, она соответствует отклонению скорости изменения координаты, вырабатываемой системой экстраполяции, от скорости цели в предыдущий период. При подаче импульса напряжения тахогенератора площадь которого пропорциональна отклонению скорости (первой разности на интегратор , изменяется напряжение на его выходе на величину, пропорциональную первой разности т. е. на величину, пропорциональную ошибке по скорости (рис. 8.46, б). Благодаря этому введению корректуры по скорости, напряжение становится пропорциональным скорости изменения координаты цели в предыдущий период. Подавая напряжение на второй вход интегратора на его выходе появляется линейно изменяющаяся во времени составляющая напряжения (кривая рис. 8.46, б), соответствующая второму члену закона экстраполяции (8.93). Выходное напряжение интегратора и системы в целом в интервале времени равно сумме составляющих напряжений Таким образом, реализуется линейный закон экстраполяции (8.93). Напряжение с выхода интегратора перед появлением следующей отметки от цели на и вводом корректуры передается на интегратор рассмотренной полуавтоматической системы (рис. 8.49).