Устройство для оценки деятельности операторов систем управления

те

Ь П И С А Н И Е ()752458

ИЗЬБРЕТЕН ИЯ

Союз Советскик

Социалистические республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополи и тельное к а вт. свил-ву

Р )Заявлеио 07.08.78 (г ) 2654932/18-24 (5()М. Кл.

Я 09 В 9/00 с присоединением заявки ¹

Гооудврстввнный комитет (23) II риори гет ао аллам изобретений и открытий

Опубликоваио 30,07.80, Бюллетень ¹28

Дата опубликования описания 30.07.80 (53) УДК 681.3. .07 1(088.8) В. М. Гусев, Ю. Т. Шапков, К. К. Шатилов и Т. Ф. Макаревич (72) Авторы изобретения

Ордена Трудового Красного Знамени инсттгтут физиологии им. И. П. Павлова АН СССР (7I ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ OUEHKH ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОПЕРАТОРОВ.

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к тренажерам, предназначенным для обучения, профессионального отбора и исследования деятельности операторов.

Известны устройства для оценки деятельности операторов систем управления, в которых контроль деятельности оператора осуществляется путем математического представления его входных-выход-;

f0 ных характеристик в виде передаточных функций. При этом особенность работы отдельного оператора отражается на форме передаточных функций (11 и (21.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для оценки деятельности операторов систем управления, содержащее генератор задаваемых функций, соединенный последовательно с индикатором и датчиком испытуемого; схему вычисления ошибки, вход которой соединен с датчиком испытуемого, а выход через коммутатор с интеграторами, выходы которых соединены

2 через измерительное устройство с регисг рирующим устройством, схему управления, соединенную через синхронизатор с генератором задаваемых функций. Каждый из двух входов коммутатора соединен с двумя интеграторами. Один выход схемы управления соединен с коммутатором, другой — с управляющим входом измерительного устройства, и два выхода соединены с управляющими входами интеграторов, причем каждый иэ них соединен с двумя интеграторами, связанными с одним из выходов коммутатора (3).

Данное устройство позволяет, оценивать точность выполнения каждого движения оператора в соответствии с фм ами задающего сигнала.

Жнако такое устройство не позволяет качественно оценить биомеханические законы управления движениями, которыми руководствуется оператор при выполнении поставленной задачи. Эти законы н обходимы для получения возможности оценить оптимальность работы различных (7) 50.л

1 3 Ь

3 7524 операторов и изменение характера их работы в зависимости от различных мотивационных установок, а также для выяснения механизма формирования процесса управления в сложных системах человекмашина.

Целью изобретения является повышение точности оценки за счет получения количественных оценок биомеханического закона управления движениями.

Укаэанная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее генератор, подключенный к блоку индикации и блоку синхронизации, соединенному через последовательно включенные блок управления и измеритель параметров с блоком регистрации, блок ввода ответных действий оператора, соединенный с блоком индикации и вычислителем ошибок, введены блок адаптивного моделирования изучаемых процессов, соединенный с генератором,. и вычислителем ошибок, и вычислитель оценок закона управления, подключенный к измерителю параметров и к блоку адаптивного моделирования изучаемых процессов, содержащему узлы моделирования ответных реакций, один иэ которых через последовательно включенные узлы дифференцирования соединен с другими узлами моделирования ответных реакций, выход каждого из которых через последовательно включенные соответствующие узлы умножения и интегрирования соединен со входами узлов моделирования ответных реакций, содержащих нелинейный преобразовагель, соединенный через одни делители напряжения с первым сумматором, а через последовательно включенные соответствующие элементы умножения и другие делители напряжения — со вторым и третьим сумматорами, первый сумматор через последовательно соединенные первый интегратор, второй сумматор, второй интегратор, третий сумматор и третий интегратор подключен к делителям напряжения. Вычислитель оценок закона управления содержит узлы умножения, первый и второй из которых через соответствуюшие сумматоры подключены к нелинейным преобразователям, и усилители, соединенные со входами сумматоров, один из усилителей подключен ко входу вычислителя, а другой — к выходу третьего узла умножения.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве моделируется огветная реакция испытуемого Y (), преобразуя сигнал от генератора задаваемых функций я(Ц в сигнал X(4), согласно уравнению в общем виде

Опх +ОИ-1X +.. Фа,х+Х=Б(С (п) (и -0

Х " (O)=X " (О)=...=Х(О) =Х(О)=О )

Ф

Для случая получения трех оценок это уравнение имеет вид:

О Х + О 2 Х + О(, Х + Х Ь (1}

Х(О) = К(О = Х(О) =O

) (2)

Сигнал Х (1) сравнивается с ответом испытуемого и вычисляется ошибка е(6) по формуле

15 (Ц = Х(Ц Ч() (3) . Огветный сигнал оператора Q (О аппроксимируется выходным сигналом х (4) дифференциального уравнения (1) из условия минимума функционала 1 т

Г= ) (» Ю - (t)) dt = rn)n 41 где 7 — интервал наблюдения. Непосредственное преобразование сигнала e(t) в х ® по уравнению (1 } осуществляется первым блоком модели ответной реакции

Вычислитель оценок закона управления восстанавливает биомеханический закон управления (5), предполагая, что оператор в процессе решения задачи управления руководствовался некоторым принципом оптимальности. Для этого вычисляются неизвестные коэффициенты 5, ,2, ... Г д функционала Т, описывающего биомеханический закон управления в общем виде = (" ",ч + - ". " ) dt min о а для случая получения трех оценок это уравнение имеет вид

Х ) ) y + i, y + ij + y ) dt = m i n о

4 где г — интервал наблюдения.

Вычисление неизвестных коэффициен. тов с, <, 4 осуществляется по формулам Д.> и для случая получения трех оценок они равны

Эти коэффициенты определяются и регистрируются для каждой реакции оператора и могут характеризовать механизм формирования процесса управления в сложных системах человек-машина, а также оптимальность работы оператора.

752458

На фиг. 1 приведена схема рассматриваемого устройства, содержащая генератор 1 (задвваемых функций), блок 2 индикации, блок 3 ввода ответных действий оператора, вычислитель 4 ошибок, блок 5 регистрации, измеритель 6 параметров, блок 7 управления, блок 8 синхронизации, блок 9 адаптивного управления, вычислитель 10 оценок закона управления, 11, 12 — входы, 13 — 16 — выходы блока 9 (входы управления).

На фиг. 2 представлена схема блока 9, который содержит узлы 17-20 моделирования ответных реакций, узлы 21-23 дифференцирования, узлы 24-26 умножения и узлы 27-29 интегрирования.

На фиг. 3 представлена схема узла моделирования ответных реакций, на котором изображены вход 30 и выход 31 узла, сумматоры 32-34, интеграторы

35-37, делители 37-40, 41 напряжения, узлы 42 и 43 умножения и нелинейный преобразователь 44.

На фиг. 4 представлена схема вычис- лителя 10 оценок закона управления, где изображены выходы 45-47 вычислителя, узлы 48-50 умножения, сумматоры 51, 52,усилители 53 и 54, нелинейные преобразователи 55, 56. зо

Устройство для оценки деятельности операторов систем управления рабогает следующим образом.

Оператору предъявляют задающий тест-сигнал в виде ступенчатой функции, на который он должен дать ответную двигательную реакцию так, чтобы, по его мнению, рассогласование задающего сигнала и ответного было бы минимальным.

При этом, задающий тест-сигнал с генератора 1 поступает также на вход 11 блока 9, на выходе 13 которого формируется сигнал х jt) согласно уравнению (1 ) ° Э гОТ сигнал ПОступает на Один из входов вычислителя 4 ошибок, на другой вход которого подается с блока 3 ответный сигнал оператора 3 (C) . Сигнал ошибки е (Ц уравнения (3) с выхода вычислителя 4, в свою Очередь, подается на второй вход 12 блока 9, который начинает подстраивать свой выходной сигнал так, чтобы он наиболее приближался по форме к ответу оператора согласно условию (4).

Это осуществляется следующим образоме . Входной задающий тест-сигнал поступает на вход узла 17. который преобраeyer этот сигнал согласна уравнению (2).

Далее преобразованный сигнал последовательно дифференцируется узлами 21-23 и с выходов каждого из ник поступает на входы трех узлов 18-20, идентичных узлу 17, а с выходов каждого иэ этих узлов преобразованные сигналы поступают раздельно на выходы трех узлов 24-26, На вторые входы всех этих узлов подается сигнал ошибки с выхода вычислителя 4.

После операции перемножения сигналы с выходов узлов 24-26 поступают на соответствующие интеграторы — узлы 27-29 интегрирования. Величина напряжения на выходах этих интеграторов 27-29 оказывается пропорциональна градиентам функционала Х условия (4) и соответствует величинам коэффициентав а, а, а уравgЭ нения (2). Эти сигналы с выходов трех интеграторов 27-29 подаются на три управляющих входа всех узлов 17-20 и изменяют коэффициенты а, а,о уравнения (2) согласно уравнению градиентного спуска/\.

da; (О

= ;Ча; (8) где < = 1,2,3.", и ) < —.весовые коэффициенты; V a1 - выходные сигналы узлов 24-26, минимизируя тем самым значение функционала 1 уравнения (4).

Узлы 17-20 преобразуют входные сигналы в выходные согласно уравнению (1) спедуюшим образом. Входной сигнал поступает на управляемый делитель 38 напряжения, и далее нв цепочку, состояшую из 3 -x сумматоров 32-34 и 3-х интеграторов 35-37, сигнал с выхода последнего ин"гегратора 37 подается череа делигели 39-41 на входы всех сумматоров и выход 31 узла. На входы управления — выходы 14-16 подаются cmr нилы, пропорциональные величинам коэффициентов а, а, а> уравнения (2). Управляющий сигнал с выхода 16 подается на нелинейный преобразователь 44, который преобразует сигнал в> в сигнал «д аэ

Последний сигнал управляет двумя делителями, минимизируя тем самым значение функционала I уравнения (4).

Узлы 17-20 (фиг. 33 преобразуют входные сигналы в выходные согласно уравнению (2) следующим образом.

Входной сигнал. поступает через управляемый делитель напряжения 38 на цепочку, состоящую из чередующихся сумматоров 32-34 и интеграторов 35-37.

7 52458

7 8, Сигнал с выхода последнего элемента Коэффициенты Г, ь с определяют цепочки — интегратора 37 — подается количественное выражение биомеханичесчерез управляемые делители напряжения кого критерия работы человека-оператора

39-41 на входы всех сумматоров и вы- и служат объективной оценкой той оптиход 31 узлов 17-20. На входы управле- мальности, которую оператор реализует ния 14-16 этих узлов, подаются сигна- в эксперименте, и которая меняется от лы, пропорциональные величинам коэффи- оператора к оператору, а также от функнтов а а а Причем управляющий ционального состояния оператора. о, подается на вход 16 управления . Предлагаемое устройство применяетпреобразуется нелинейным преобразова- lo ся для контроля и исследования работы телем 44 в сигнал пропорциональный оператора и позволяет получать количест1/а и поступает на управляющие входы венные оценки биомеханического закона а и ст двух делителей 38, 39 и входы двух управления, характеризующего деятельузлов 42, 43. А управляющие сигналы ность оператора, и те критерии, которыа1, а подаются соответственно на вхо- д ми он руководствуется в процессе решецы 15, 14 управления, связанные со вто- ния задачи управления. Ясный физический рыми входами двух узлов 42, 43. Управ- смысл каждого из компонентов биомехаляющие сигналы, п о гналы пропорциональные от- нического закона управления (отклонение, скорость, ускорение) позволяет легко а, ношению и с выход Уз . 2 интерпретировать полученные оценки. Кро42 и 43 поступают на управляющие вхо- ме того, при получении оценок биомеханиды соответствующих делителей 38-41, ческого закона управления появляется возВ результате изменения коэффициентов можность оценить влияние и информационпередачи этих делителей изменяются пере- ное значение высших производных о продаточные характеристики узлов 17-20. 25 цессе управления. Оператор в процессе выхода узла 17 при- работы сам выбирает из всего набора возПри этом сигнал с выхода узла ближается к сигналу ответа о ответа оператора. можных управлений наиболее, по его мнеОдновременно с прео ра о преобразователями нию, оптимальные и руководствуется ими. сигналов в блоке величины коэ

9 ины коэффициен- При этом названные критерии остаются нени (2) в виде ЗО известными для внешнего наблюдения.

13 2э э

Между тем, именно биомеханический засигналов с вйходов вычислитель 10 оценок закона управле- кон управления движениями позволяет ния, где каждо у, г е каждому набору коэффициентов количественно охарактеризовать эти криа, а, а из множества гладких (без терни и, тем самым, оценить оптимальскачков) сигналов 4, (Ц сопоставляется З5 ность работы оператора, a Ta e отразить своя задача опти ача оптимального управления на изменение характера управления связаноснове иомеханич б механического критерия качест- ное с обучением, состоянием оператора, ва работы оператора — ур б ператора — уравнение (5). состоянием внешней среды (машины). еле 10 оценок закона управле- Полученные количественные оценки

В вычислителе ния восстанавливается анавливается закон управления, 4О биомеханического закона управления которым руководст о оводствовался оператор от- можно использовать как для исследовавечая на задающи т задающий тест-сигнал. Для этой ния процессов управления в системах цели нелинеиными человек-машина, так и для оценки деявычислителя я 10 вычисляются неизвестные тельности оператора, оптимальности его коэффициенты функционала нты функционала I. (7)

45 работы, необходимые при профессиональных отборах и для оценки его готов1 2 1 ности (обученности). Кроме того усред Вычисленные для каждой реакции значененные количественные оценки могут ния коэффициентов далее поступают в быть использованы при оценке систем блоки 5 и 6. Измерение и регистрация 5О управления на этапе их проектирования. этих коэффициентов происходит как в процессе каждой реакции испытуемого на интервале времени наблюдения Т, так и Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я при повторяющихся через интервал Т испытаниях оператора, для чего регистрация

1. Устройство для оценки деятельи измерение коэффициентов синхронизиро- ности операторов систем управления, совано по времени с появлением задающего держащее генератор, подключенный к блосигнала при помощи блока 8. ку индикации и блоку синхронизации, сое458 10 ненный через одни делители напряжения с первым сумматором, а через последовательно включенные соответствующие элементы умножения и другие делители напряжения — со вторым и третьим сумматорами, первый сумматор через последовательно соединенные первый интегратор, второй сумматор, второй интегратор, третий сумматор и третий интегратор подключен к делителям напряжения.

4. Устройство по п. 1, о т л ич а ю ш е е с я тем, что в нем вычислитель оценок закона управления содержит узлы умножения, первый и второй иэ которых через соответствуюшие сумматоры подключены к нелинейным преобразователям, и усилители, соединенные со входами сумматоров, один из усилителей под. ключен ко входу вычислителя, а другой— к выходу третьего узла умножения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

l4 435554, кл. G 09 B 7/02, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке 1 » 2551849/18-12, кл. С 09 В 9/00, 1977 (прототип).

3, Олейников В. А.,Зотов Н. С. и

30 Пришвин А. М, Основы оптимального и экстремального управления, М., 1969.

9 752 диненному через последовательно включенные блок управления и измеритель параметров с блоком регистрации, блок ввода ответных действий оператора, соединенный с блоком индикации и вычислителем ошибок, о т л и ч а ю ш е е с я

5 тем, что, с целью повышения точности оценки, оно содержит блок адаптивного моделирования изучаемых процессов, соединенный с генератором и вычислителем 10 ошибок, и вычислитель оценок закона

1 управления, подключенный к измерителю параметров и к блоку адаптивного моделирования изучаемых процессов.

2. Устройство по п. 1 о т л и-! 15 ч а ю ш е е с я тем, что в нем блок адаптивного моделирования изучаемых процессов содержит узлы моделирования ответных реакций, один иэ которых через последовательно включенные узлы дифференцирования соединен с другими узлами моделирования ответных реакций

) выход каждого из которых через последовательно включенные соответствующие узлы умножения и интегрирования соединен со входами узлов, моделирования ответных реакций.

3. Устройство по п. 2, о т л ич а ю ш е е с я тем, что в нем узел моделирования ответных реакций содержит нелинейный преобразователь) соедифис. 4

7 52458

Фиг.4

Составитель А. Карлов

Редактор И. Ковальчук Temper И. Асталош Корректор М. Коста

Заказ 4773/24 Тираж 465 Поддисное

UHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-Зб, Раушская наб., д.,4/S

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул, Проектная, 4