Тренажер оператора системы управления
Полезная модель относится к техническим средствам обучения операторов автоматизированных систем управления технологическими процессами, в том числе к тренажерам операторов энергетических объектов, например операторов судовых газотурбинных установок и может быть использовано для повышения уровня профессиональной подготовки и формирования профессиональных навыков операторов.
Задачей полезной модели является повышение уровня автоматизации обучения за счет введения универсальной автоматизированной оценки уровня подготовленности операторов при решении любых задач управления, поддерживаемых тренажером. Тренажер оператора системы управления, отличительными признаками которого является то, что он содержит блок сравнения, блок «И», счетчик реального времени, счетчик времени обучения и блок деления, при этом блок сравнения связан с выходами пульта оператора и узла регистрации, вход которого связан с выходом пульта оператора, блок «И» связан с выходами блока сравнения и генератора временных импульсов и с входами узла регистрации и счетчика реального времени, вход сброса которого подключен к пульту инструктора, счетчик времени обучения связан с выходами генератора временных импульсов и пульта инструктора, блок деления связан с выходами счетчиков реального времени и времени обучения и с входом пульта инструктора.
3 ИЛ.
Полезная модель относится к техническим средствам обучения операторов автоматизированных систем управления технологическими процессами, в том числе к тренажерам операторов энергетических объектов, например операторов судовых газотурбинных установок и может быть использована для повышения уровня профессиональной подготовки и формирования профессиональных навыков операторов.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является тренажер оператора системы управления (энергетического объекта) (RU 2202830, МПК G09B 9/00, опуб. 20.04.2003), выбранный в качестве прототипа, содержащий модель объектов и систем управления (группу взаимодействующих имитаторов), узел регистрации, связанный с выходом модели объектов и систем управления, пульт инструктора, взаимосвязанный с моделью объектов и систем управления и узлом регистрации, пульт оператора, подключенный к входу модели объектов и систем управления. Узел регистрации в этом тренажере обеспечивает запись и воспроизведение (демонстрацию) процесса тренировки путем периодической записи и чтения выходных параметров модели объектов и систем управления, что расширяет дидактические возможности тренажера.
Недостатком данного тренажера является недостаточный уровень автоматизации обучения вследствие следующих причин:
- отсутствие универсальной автоматизированной оценки уровня подготовленности оператора;
- отсутствие автоматизации обучения в виде автоматической подсказки обучаемому (оператору) момента, места и характера необходимых управляющих воздействий.
Задачей полезной модели является повышение уровня автоматизации обучения за счет введения универсальной автоматизированной оценки уровня подготовленности операторов при решении любых задач управления, поддерживаемых тренажером, и автоматической подсказки обучаемому (оператору) момента, места и характера необходимых управляющих воздействий.
Поставленная задача решается тем, что в тренажер оператора системы управления, содержащий модель объектов и систем управления, узел регистрации, связанный с выходом модели объектов и систем управления, пульт инструктора, взаимосвязанный с моделью объектов и систем управления и узлом регистрации, пульт оператора, подключенный к входу модели объектов и систем управления, введены коммутатор, блок сравнения, блок «И», генератор временных импульсов, счетчик реального времени, счетчик времени обучения и блок деления, при этом управляющий вход коммутатора подключен к пульту инструктора, коммутируемые входы подключены к модели объектов и систем управления и к узлу регистрации, а выход коммутатора подключен к пульту оператора, блок сравнения связан с выходами пульта оператора и узла регистрации, вход которого связан с выходом пульта оператора, блок «И» связан с выходами блока сравнения и генератора временных импульсов и с входами узла регистрации и счетчика реального времени, вход сброса которого подключен к пульту инструктора, счетчик времени обучения связан с выходами генератора временных импульсов и пульта инструктора, блок деления связан с выходами счетчиков реального времени и времени обучения и с входом пульта инструктора.
Автоматизированная оценка уровня подготовленности оператора осуществляется при воспроизведении процесса предварительно записанной "образцовой" тренировки (при этом записываются значения не только выходных параметров модели но и входных) за счет введения зависимости темпов воспроизведения от соответствия текущих сигналов управления и эталонных, записанных ранее и поступающих с блока регистрации.
Коммутатор по сигналу с пульта инструктора разрывает связь выхода модели объектов и систем управления с входом пульта оператора и подключает выход «выходных параметров» узла регистрации, к входу пульта оператора, при этом выходные сигналы пульта оператора, поступающие на вход блока сравнения определяются текущими управляющими воздействиями оператора, а сигналы на выходах «входных параметров» узла регистрации, поступающие на вход блока сравнения, определяются записанной предварительно "образцовой" тренировкой.
Блок сравнения проверяет совпадение текущих управляющих сигналов, поступающих с пульта управления и записанных ранее, поступающих с узла регистрации и выдает сигнал на блок «И» только в случае полного соответствия управляющих воздействий.
Блок «И» выдает управляющий сигнал на очередной шаг работы блока регистрации при воспроизведении процесса и на счетный вход счетчика реального времени только при наличии сигнала соответствия управляющих воздействий в момент очередного импульса с генератора временных импульсов
Счетчик реального времени формирует цифровой сигнал, отражающий длительность записанного процесса в режиме воспроизведения процесса, который сбрасывается в момент задания воспроизведения с пульта инструктора.
Счетчик времени обучения формирует цифровой сигнал, отражающий длительность обучения (в режиме воспроизведения процесса), который сбрасывается в момент задания воспроизведения с пульта инструктора.
Блок деления обеспечивает на своем выходе формирование сигнала, отражающего результат деления реального времени управляемого процесса на время обучения. Сигнал с выхода блока деления поступает на индикацию на пульт инструктора и характеризует интегральное временное запаздывание управляющих воздействий относительно записанной эталонной тренировки.
На фиг.1 показана функциональная схема описываемого тренажера.
Тренажер оператора содержит пульт оператора 1, коммутатор 2, модель объектов и систем управления 3, пульт инструктора 4, блок сравнения 5, блок «И» 6, узел регистрации 7, блок деления 8, генератор временных импульсов 9, счетчик реального времени 10, счетчик времени обучения 11, при этом модель объектов и систем управления 3 взаимосвязана с пультом инструктора 4 и связана с выходом пульта оператора 1 и входами коммутатора 2 и узла регистрации 7, пульт оператора 1 связан с выходом коммутатора 2 и входами блока сравнения 5 и узла регистрации 7, пульт инструктора 4 взаимосвязан с узлом регистрации 7 и связан с входами коммутатора 2, счетчика времени обучения 11 и счетчика реального времени 10 и выходом блока деления 8, блок «И» 6 связан с выходами блока сравнения 5 и генератора временных импульсов 9 и с входами узла регистрации 7 и счетчика реального времени 10, блок деления 8 связан с выходами счетчика реального времени 10 и счетчика времени обучения 11, вход которого связан с генератором временных импульсов 9.
Пульт оператора 1 выполнен соответствующим пульту контроля и управления, например, энергетического объекта и может дополнительно содержать программно-аппаратный комплекс сопряжения для преобразования выходов пульта в цифровой вид и входов пульта из цифрового вида в аналоговый. (В случае реализации смежных блоков средствами цифровой вычислительной техники).
Коммутатор 2 может быть выполнен в виде релейного блока с переключающими контактами или реализован программными средствами.
Модель объектов и систем управления 3 может быть реализована на персональной электронной вычислительной машине (ПЭВМ) с использованием методов математического моделирования.
Пульт инструктора 4 может быть реализован на отдельной персональной электронной вычислительной машине.
Узел регистрации 7 может быть реализован на внешних запоминающих устройствах ПЭВМ, реализующей модель объектов и систем управления 3.
Блок сравнения 5, блок «И» 6, блок деления 8, счетчик реального времени 10, счетчик времени обучения 11 могут быть выполнены в виде программных блоков в ПЭВМ, реализующей модель объектов и систем управления 3.
Генератор временных импульсов 9 обеспечивает временную привязку при записи и воспроизведении процессов и может быть выполнен в виде отдельного генератора импульсов или реализован программными средствами на основе использования генераторов импульсов в ПЭВМ.
Рассмотрим функционирование предлагаемой полезной модели.
Для обеспечения автоматизированной оценки необходимо предварительно записать эталонный процесс управления. Для этого инструктор при тренировке опытных операторов задает режим
"Запись тренировки " на пульте инструктора 4, с которого сигнал поступает на коммутатор 2, подключающий выходы модели объектов и систем управления 3 на входы пульта оператора 1. Модель объектов и систем управления 3 обеспечивает по сигналам управления, поступающим с пульта оператора 1, формирование выходных сигналов в зависимости от входных управляющих воздействий. При задании режима "Запись тренировки " поступает также сигнал с пульта инструктора 4 на узел регистрации 7, по которому обеспечивается запись выходной информации модели 3 (параметры состояния управляемого объекта) и выходной информации пульта оператора 1 (параметры управляющих воздействий) во внешнюю память в моменты поступления сигналов с блока 6 «И». В этом режиме узел регистрации 7 переписывает данные, поступающие с выхода пульта оператора 1 на выход узла регистрации 7, связанный с блоком сравнения 5. Поэтому в режиме "Запись тренировки" на входы блока сравнения 5 поступают всегда одинаковые сигналы и все сигналы с генератора временных сигналов 9 поступают через блок «И» 6 на вход узла регистрации 7. Таким образом, обеспечивается дискретная, через равные промежутки времени, запись параметров состояний модели и параметров управляющих воздействий в процессе тренировки. Записанный эталонный процесс может затем многократно использоваться для тренировки операторов и автоматизированной оценки уровня их подготовки.
При задании режима автоматизированного обучения с пульта 4 инструктора поступают следующие сигналы: на коммутатор 2 на переключение входов пульта оператора 1 с выходов модели объектов и систем управления 3 на выходы узла регистрации 7; на узел регистрации 7 на передачу параметров состояния управляемого объекта из узла регистрации 7 на входы пульта оператора 1 и на
передачу параметров управляющих воздействий из узла регистрации 7 на блок сравнения 5 по сигналам с блока «И» 6; на входы сбросов счетчиков реального времени 10 и времени обучения 11 для их обнуления; на модель объектов и систем управления 3 для прекращения выполнения программ моделирования. В этом режиме, если состояние записанных ранее сигналов управления, поступающих с узла регистрации 7, не совпадает полностью с состоянием органов управления пульта оператора 1, то блок сравнения 5 не формирует сигнал совпадения и с блока «И» 6 не поступают сигналы. Поэтому узел регистрации 7 не обновляет информацию, поступающую на пульт оператора 1 и блок сравнения 5, счетчик реального времени 10 сохраняет свое значение, а значение счетчика времени обучения 11 непрерывно возрастает.
При установке оператором органов управления пульта оператора 1 в правильное положение, появляется сигнал на выходе блока «И» 6 на запись очередного состояния с внешней памяти узла регистрации 7 и на изменение состояния счетчика реального времени 10. Процесс продолжается до возникновения рассогласования между состоянием управляющих воздействий в эталонном записанном процессе управления, поступающим с внешней памяти и управляющими воздействиями пульта оператора 1. Таким образом, обучаемый оператор периодически вводит управляющие воздействия в соответствии с предъявляемой ему ситуацией (сигналы с выхода узла регистрации 7, поступающие на органы измерения и сигнализации пульта оператора 1). При этом счетчик реального времени 10 увеличивает свое значение только при правильном управлении, а счетчик времени обучения 11 изменяется непрерывно и характеризует полное время обучения.
Цифровой сигнал частного от деления значения счетчика реального времени 10 на значение счетчика времени обучения 11,
формируемый блоком деления 8 и поступающий на пульт инструктора 4, характеризует относительное время правильных управляющих воздействий за время обучения и может быть использован в качестве универсального показателя уровня подготовки оператора. Таким образом, обеспечивается повышение степени автоматизации подготовки операторов за счет введения универсальной автоматизированной оценки уровня подготовленности оператора.
Для повышения степени автоматизации процесса обучения путем автоматической подсказки оператору момента необходимости введения управляющего воздействия тренажер по пункту 1 дополнительно содержит индикатор рассогласования, связанный с выходом блока сравнения.
Индикатор рассогласования обеспечивает выдачу звукового или светового сигнала при рассогласовании входов с пульта оператора (управление при обучении) и с узла регистрации (эталонное записанное управление). Таким образом, обеспечивается подсказка оператору момента необходимого управляющего воздействия.
На фиг.2 показана функциональная схема тренажера. Этот тренажер относительно тренажера, описанного в пункте 1, дополнительно содержит индикатор рассогласования 12, связанный с выходом блока сравнения 5.
Индикатор рассогласования 12 может быть выполнен в виде отдельной лампы или могут быть использованы динамики ПЭВМ.
При задании режима автоматизированного обучения, если состояние эталонных управляющих воздействий, поступающих с узла регистрации 7, не совпадает полностью с состоянием органов управления пульта оператора 1, то блок сравнения 5 выдает сигнал на индикатор рассогласования 12, который звуковым или световым сигналом информирует оператора о необходимости ввода
управляющего воздействия что, повышает уровень автоматизации обучения.
С целью дополнительного повышения автоматизации за счет введения автоматической подсказки обучаемому места и характера необходимых управляющих воздействий кроме индикатора рассогласования тренажер по пункту 2 содержит имитатор пульта управления и переключатель, связанный с выходами пульта оператора и узла регистрации и с входом имитатора пульта управления.
Имитатор пульта управления является визуальной моделью пульта оператора, отображающей внешний вид пульта и состояние всех органов управления и используется для указания необходимых в данный момент изменений управляющих воздействий.
Переключатель обеспечивает периодическое переключение входов модели пульта оператора с выходов пульта оператора на выходы узла регистрации с целью визуализации рассогласования.
На фиг.3 показана функциональная схема тренажера. Этот тренажер относительно тренажера, описанного в пункте 1, дополнительно содержит имитатор пульта управления 12 и переключатель 13, связанный с выходами пульта оператора 1 и узла регистрации 7 и с входом имитатора пульта управления 12.
Имитатор пульта управления 12 может быть реализован на основе использования монитора ПЭВМ, реализующей модель объектов и систем управления 3. При этом на мониторе представлены изображения всех органов управления реального пульта оператора. Состояния органов управления полностью определяются программными средствами.
Переключатель 13 содержит средства коммутации сигналов состояния органов управления, поступающих на вход имитатора пульта управления 12, между выходами пульта оператора 1 и узла
регистрации 7 и средства управления коммутацией, например в виде генератора периодических сигналов, и может быть реализован программными средствами.
При задании режима автоматизированного обучения переключатель 13 периодически выдает на вход имитатора пульта оператора 12 состояние органов управления от пульта оператора 1 и от узла регистрации 7. Это приводит к периодическому изменению изображений органов управления (отображаются фактические состояния и требуемые состояния), состояния которых на пульте управления 1 не соответствуют требуемым состояниям (предварительно записанным). Таким образом, в режиме обучения оператору автоматически предоставляется информация о месте и характере необходимых управляющих воздействий, что повышает степень автоматизации обучения.
1. Тренажер оператора системы управления, содержащий модель объектов и систем управления, узел регистрации, связанный с выходом модели объектов и систем управления, пульт инструктора, взаимосвязанный с моделью объектов и систем управления и узлом регистрации, генератор временных импульсов, пульт оператора, подключенный к входу модели объектов и систем управления и коммутатор, управляющий вход которого подключен к пульту инструктора, коммутируемые входы подключены к модели объектов и систем управления и к узлу регистрации, а выход подключен к пульту оператора, отличающийся тем, что он содержит блок сравнения, блок «И», счетчик реального времени, счетчик времени обучения и блок деления, при этом блок сравнения связан с выходами пульта оператора и узла регистрации, вход которого связан с выходом пульта оператора, блок «И» связан с выходами блока сравнения и генератора временных импульсов и с входами узла регистрации и счетчика реального времени, вход сброса которого подключен к пульту инструктора, счетчик времени обучения связан с выходами генератора временных импульсов и пульта инструктора, блок деления связан с выходами счетчиков реального времени и времени обучения и с входом пульта инструктора.
2. Тренажер по п.1, отличающийся тем, что он содержит индикатор рассогласования, связанный с выходом блока сравнения.
3. Тренажер по п.2, отличающийся тем, что он содержит имитатор пульта управления и переключатель, связанный с выходами пульта оператора, узла регистрации и счетчика времени обучения и с входом имитатора пульта управления.
