Устройство для моделирования оператора автоматизированной системы управления

 

Полезная модель относится к области вычислительной техники и может быть использована при исследовании динамических свойств и запасов структурной устойчивости по амплитуде и фазе высокоавтоматизированной системы управления, в замкнутый контур регулирования которой включен человек-оператор с заданными соматическими и поведенческими свойствами. Устройство содержит в составе электронного блока оператора 3 последовательно соединенные между собой суммирующий блок 4, нелинейный блок с зонами нечувствительности и насыщения 5, блоки запаздывания 6, интегрирования 7, форсирования 8 и апериодический инерционности 9 и электронный блок объекта управления 10, а также содержит генераторы возмущающих 1 и управляющих 2 воздействий, выходы которых подключены к входам суммирующего блока 4, что обеспечивает повышение достоверности моделирования.

Полезная модель относится к области вычислительной техники и может быть использована при исследовании динамических свойств и запасов структурной устойчивости по амплитуде и фазе высокоавтоматизированной системы управления, в замкнутый контур регулирования которой включен человек-оператор с заданными соматическими и поведенческими свойствами.

Из уровня техники известно устройство для моделирования кибернетических свойств водителя транспортного средства, содержащее последовательно соединенные между собой функциональные блоки, имитирующие на вербальном уровне кибернетические свойства водителя, энергетические возможности двигательной установки и кинематические свойства трансмиссии транспортного средства [Гирявец А.К. Теория управления автомобильным бензиновым двигателем, М.: Стройиздат, 1997 - 173 с]. Недостаток известного устройства состоит в том, что результаты моделирования имеют низкую достоверность из-за субъективных ошибок вербальных оценок.

Наиболее близким к предлагаемому известным техническим решением в качестве прототипа является автоматизированная система управления технологическими процессами, собранная из последовательно соединенных между собой суммирующего передающего блока, нелинейного блока с зонами нечувствительности и насыщения, блоков запаздывания, интегрирования, форсирования и апериодический инерционности для моделирования соматических и поведенческих свойств оператора автоматизированной системы управления технологическими процессами [Словарь по кибернетике. Под ред. акад. В.М. Глушкова. Автоматизированная система управления технологическими процессами. Киев: «Главная редакция Украинской Советской Энциклопедии», 1979. - с. 21]. Перечисленные известные технические средства позволяют моделировать соматические и поведенческие свойства человека-оператора, а именно: суммировать и передавать информационно-управленческий сигнал, при условии, что уровень информационно-управляющего сигнала превышает порог соматической восприимчивости, но не превышает порога информационного насыщения, умственную и моторную задержку, накапливания управленческой информации, свойство предугадывания и двигательную инерционность.

Недостаток прототипа заключается в том, что в нем моделируются соматические и поведенческие свойства оператора автоматизированной системы управления в отрыве от ее объекта регулирования, что снижает достоверность моделирования.

Технической задачей полезной модели является повышение достоверности моделирования автоматизированной системы управления с человеком-оператором за счет включения в замкнутый контур системы автоматизированного управления модели человека-оператора в качестве автоматического регулятора с заданными соматическими и поведенческими свойствами.

Технический результат полезной модели состоит в том, что повышается достоверность определения динамических свойств и запасов структурной устойчивости по амплитуде и фазе моделируемой автоматизированной системы управления.

Сущность полезной модели заключается в том, кроме известных и общих существенных отличительных признаков, а именно: последовательно соединенных между собой суммирующего блока, нелинейного блока с зонами нечувствительности и насыщения, блоков запаздывания, интегрирования, форсирования и апериодический инерционности, предлагаемое устройство для моделирования оператора автоматизированной системы управления содержит генераторы возмущающих и управляющих воздействий и электронный блок объекта управления с передаточной функцией , вход которого подключен к выходу блока апериодической инерционности, а выход электронного блока объекта управления соединен с одним входом блока суммирования, другие входы которого подключены к выходам соответствующих генераторов возмущающих и управляющих воздействий при n>m, где - оператор Лапласа.

Новизна полезной модели заключается в том, что устройство для моделирования оператора автоматизированной системы управления содержит генераторы возмущающих и управляющих воздействий и электронный блок объекта управления с передаточной функцией , вход которого подключен к выходу блока апериодической инерционности, а выход электронного блока объекта управления соединен с одним входом блока суммирования, другие входы которого подключены к выходам соответствующих генераторов возмущающих и управляющих воздействий при n>m и , что обеспечивает повышение достоверности моделирования автоматизированной системы управления за счет включения в замкнутый контур системы автоматизированного управления модели оператора в качестве автоматического регулятора.

Функциональная схема предлагаемого устройства для моделирования оператора автоматизированной системы изображена на фиг. 1, область структурной устойчивости моделируемой автоматизированной системы управления приведена на фиг. 2. Асимптотическая логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (АПАЧХ) и асимптотическая логарифмическая фазовая частотная характеристика (АЛФЧХ) моделируемой автоматизированной системы управления изображены на фиг. 3. На фиг. 1 обозначено:

1 - генератор возмущающих воздействий;

2 - генератор управляющих воздействий;

3 - электронный блок модели кибернетических свойств оператора как автоматического регулятора автоматизированной системы управления (электронный блок оператора);

4 - суммирующий блок, имитирующий поведенческое свойство оператора передавать (ретранслировать) управленческую информацию;

5 - нелинейный блок с зонами нечувствительности и насыщения, имитирующий соматическое свойство человека-оператора не воспринимать слабый по уровню информационно-управляющий сигнал и оставаться в состоянии информационного перенасыщения (усталости);

6 - блок временного запаздывания, имитирующий умственную и моторную (мышечную) задержку;

7 - блок интегрирования, отображающий свойство накопления и запоминания управленческой информации;

8 - блок форсирования, имитирующий прогнозирующие свойства оператора;

9 - блок апериодический инерционности, имитирующий соматическое свойство человека-оператора проявлять инерционность умственных и моторных реакций;

10 - электронный блок объекта управления с передаточной функцией при n>m, где .

В исходном положении выходы генераторов возмущающих воздействий 1 и управляющих воздействий 2 подключены к входам электронного блока оператора 3 с помощью блока суммирования 4, выход которого через нелинейный блок с зонами нечувствительности и насыщения 5, блок временного запаздывания 6, блок интегрирования 7, блок форсирования 8 и блок апериодический инерционности 9 подключен к входу электронного блока объекта управления 10. Выход электронного блока объекта управления 10 соединен с входом блока суммирования 4 электронного блока оператора 3.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Управляющие воздействие с выхода генератора управляющих воздействий 2 в виде электрического сигнала совместно с выходным сигналом генератора возмущающих воздействий 1 поступает на входы суммирующего блока 4 электронного блока оператора 3. Семантика (смысловое содержание) управляющего воздействия формализуется уровнем и знаком выходного сигнала генератора управляющего воздействия 2, когда управляющие команды противоположной направленности: «пуск-стоп», «вперед-назад», имитируются электрическими сигналами противоположной полярности.

Выходной сигнал суммирующего блока 4 проходит через цепочку последовательно соединенных между собой блоков с зонами насыщения и нечувствительности 5, временного запаздывания 6, интегрирования 7, форсирования 8, апериодический инерционности 9 и электронного блока объекта управления 10. Каждый из этих блоков имитирует соматические и поведенческие свойства человека-оператора, а именно: свойства передавать и суммировать управленческую информацию, мыслительное - мышечное (моторное) насыщение и нечувствительность к управленческому сигналу, задержку его передачи, накопление (запоминание) и прогнозирование управленческой информации и умственно-мышечную инерционность человека - оператора, а также динамические свойства объекта автоматизированного управления соответственно. Числовые параметры передаточных функций каждого блока соответствуют средне - статистическим значениям мыслительных и мышечных (моторных) соматических и поведенческих свойств оператора как человека, выполняющего управленческие функции в качестве автоматического регулятора высоко автоматизированной системы управления.

Выходные сигналы генератора возмущающих воздействий 1, алгебраически суммируясь с выходным управляющим сигналом генератора управляющих воздействий 2 на входах блока суммирования 4 электронного блока оператора 3, линеаризуют нелинейную статическую характеристику нелинейного блока 5 насыщения и нечувствительности. Коэффициент передачи линейного участка нелинейного блока 5 уменьшается, что приводит к существенному изменению эквивалентного комплексного коэффициента передачи всей замкнутой автоматизированной системы, объектом управления которой является электронный блок 10. Динамические свойства электронного блока объекта управления 10 отображаются передаточной функцией в виде рациональной дроби , где - оператор Лапласа.

На основании результатов предлагаемого моделирования становится возможным сформулировать требования, предъявляемые к запасам структурной устойчивости по амплитуде и фазе проектируемых автоматизированных систем управления и к динамическим свойствам оператора, включенного в замкнутый контур автоматизированного управления в качестве автоматического регулятора этой автоматизированной системы управления.

В качестве примера моделируемой автоматизированной системы управления рассмотрим ее передаточную функцию в разомкнутом состоянии

где K - коэффициент усиления суммирующего блока 4, значение которого отображает способность человека оператора передавать (ретранслировать) информационно-управленческий сигнал;

T1p+1 - блок форсирования 8, имитирующий прогнозирующие свойства оператора;

1/p - интегрирующий блок 7, имитирующий свойства оператора накапливать и запоминать управленческую информацию;

1/(T2p+1) - блок апериодической инерционности 9, с помощью которого имитируется умственно-мышечная инерционность оператора;

1/(T 3p+1) - передаточная функция электронного блока 10 модели объекта автоматизированного управления, полученная при b n=0, кроме b0=1 и b1=T3 и an=0, кроме a0=1.

Передаточная функция замкнутой модели автоматизированной системы управления получается из выражения

Из знаменателя передаточной функции (2) получаем уравнение Гурвица (главная диагональ матрицы Гурвица) в виде

Из выражения (3) записываем главный определитель прямоугольной матрицы Гурвица, в которой число столбцов равно числу строк:

Уравнение (4) является характеристическим уравнением исследуемой модели автоматизированной системы управления. Анализ уравнения (4) и главной диагонали матрицы (3) показывает, что исследуемая система автоматизированного управления структурно устойчива, если выполняется неравенство вида:

Используя неравенство (5) построим область структурной устойчивости моделируемой автоматизированной системы управления, которая приведена на фиг. 2, где пунктирной линией изображена асимптота границы устойчивости. Из фиг. 2 следует, что чем меньше коэффициент К передачи управленческой информации оператора, то тем устойчивее система автоматизированного управления, в которой оператор включен в качестве автоматического регулятора.

Запасы структурной устойчивости по фазе в градусах и по амплитуде A в децибелах можно оценить с помощью амплитудно-частотных и фазовых частотных характеристик моделируемой высокоавтоматизированной системы управления, которые построены на фиг. 3 в логарифмическом масштабе жирными линиями.

Из фиг. 3 следует, что запасы структурной устойчивости по фазе составляют 2030 градусов и по амплитуде 2530 децибелов, что отвечает приемлемым запасам структурной устойчивости автоматических систем слежения и управления, в том числе и с участием человека-оператора.

Как упоминалось выше чрезмерные запасы структурной устойчивости автоматической системы управления приводят к значительному ухудшению ее динамических свойств, в частности, к снижению быстродействия, то есть к снижению оперативности системы автоматизированного управления.

Результаты моделирования автоматизированной системы управления можно использовать при выработке требований, предъявляемых к перспективным образцам автоматизированных систем управления с точки зрения их динамических свойств и запасов структурной устойчивости по фазе и амплитуде, а также, как упоминалось выше, обосновать требования, предъявляемые к быстродействию (оперативности) операторов систем автоматизированного управления.

Промышленная осуществимость предлагаемого устройства обосновывается тем, что в нем используются известные в аналоге и прототипе узлы и блоки по своему прямому функциональному назначению. В организации - заявителе изготовлен действующий образец устройства в 2014 году.

Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что повышается не менее чем на 20-30% достоверность моделирования кибернетических свойств оператора автоматизированной системы управления за счет включения в замкнутый контур автоматического регулирования как электронной модели оператора 3 в качестве автоматического регулятора, так и объекта управления 10, подверженного воздействию возмущающих факторов.

Устройство для моделирования оператора автоматизированной системы управления, содержащее последовательно соединенные между собой суммирующий блок для имитации поведенческого свойства оператора алгебраически суммировать управленческую информацию, нелинейный блок с зонами нечувствительности и насыщения для имитирования соматических свойств человека-оператора не воспринимать слабый по уровню информационно-управляющий сигнал и оставаться в состоянии информационного перенасыщения, блоки временного запаздывания для имитации умственно-моторных временных задержек, интегрирования для отображения свойств накопления и запоминания управленческой информации, форсирования для имитации прогнозирующих свойств и апериодический инерционности для имитации соматического свойства человека-оператора проявлять инерционность умственных и моторных реакций, отличающееся тем, что содержит генераторы возмущающих и управляющих воздействий и электронный блок объекта управления с передаточной функцией вход которого подключен к выходу блока апериодической инерционности, а выход электронного блока объекта управления соединен с одним входом блока суммирования, другие входы которого подключены к выходам соответствующих генераторов возмущающих и управляющих воздействий при п>m, где - оператор Лапласа.

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:

Техническое решение относится к электронным системам оплаты услуг и может быть использовано при осуществлении платежей за товары и услуги, в том числе, при оплате операторов мобильной связи, коммунальных, игровых и других услуг. Широко известны электронные платежные системы, которые осуществляют транзакции с помощью телекоммуникационных интернет сетей, среди них WEBMONEY, CyberPlat, PayCash, e-port, Рапида.

Система использования и хранения генеалогической информации, содержащая подключенные к сети Интернет автоматизированные рабочие места пользователей с устройствами введения и отображения информации, связанные с ними, по меньшей мере, один центральный сервер хранения информации относительно пользователей сети и связей между ними, интегрированный в Интернет ресурс или веб-технологию со средствами авторизации пользователя, отличающаяся тем,что она дополнительно содержит, по меньшей мере, один сервер баз данных. Полезная модель относится к системам хранения информации.

Система мониторинга и прогнозирования относится к вычислительной технике, в частности, к системе прогнозирования накопления отложений в золотниковых парах авиационных газотурбинных двигателей до предотказного состояния.

Интеллектуальная независимая система мониторинга и оценки качества научно-технических документов относится к области вычислительной техники, в частности, к интеллектуальной системе, предназначенной для автоматизированного вычисления оценки качества научно-технических документов

Полезная модель относится к области оплаты счетов

Устройство предназначено для сбора данных о состоянии технологического оборудования АЭС. Состоит из трех крейтов, один из которых служит для установки служебных блоков (источники питания, блок контроля напряжения, сетевые устройства), а второй и третий служат для установки функциональных блоков, обеспечивающих сбор аналоговых сигналов.

Устройство предназначено для сбора данных о состоянии технологического оборудования АЭС. Состоит из трех крейтов, один из которых служит для установки служебных блоков (источники питания, блок контроля напряжения, сетевые устройства), а второй и третий служат для установки функциональных блоков, обеспечивающих сбор аналоговых сигналов.

Полезная модель относится к области оплаты счетов

Интеллектуальная независимая система мониторинга и оценки качества научно-технических документов относится к области вычислительной техники, в частности, к интеллектуальной системе, предназначенной для автоматизированного вычисления оценки качества научно-технических документов

Система мониторинга и прогнозирования относится к вычислительной технике, в частности, к системе прогнозирования накопления отложений в золотниковых парах авиационных газотурбинных двигателей до предотказного состояния.
Наверх