Способ формирования математической модели человека-оператора при отслеживании заданных положений штурвала по директорному прибору

Изобретение относится к способу формирования математической модели человека-оператора в системе отслеживания заданных положений штурвала по сигналу ошибки на директорном приборе. Формируют математическую модель в виде последовательного соединения звеньев чистого запаздывания, апериодического и форсирующего, математической модели оценок переменных состояния динамической модели задатчика-генератора заданных положений штурвала, выход которой через коэффициенты усиления суммируют с входными сигналами каждого интегратора математической модели оценок переменных состояния задатчика-генератора, получают на выходе математической модели человека оператора и входе штурвала сигнал, равный сумме взвешенных оценок переменных состояния задатчика-генератора определенным образом. Обеспечивается повышение точности математического имитационного моделирования и анализа процессов директорного управления. 5 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к способам формирования математической модели человека-оператора (например, летчика) при отслеживании им заданных положений (отклонений) штурвала управления по сигналу ошибки отклонения на директорном приборе. Под математической моделью человека-оператора понимается математическая связь ошибки отклонения штурвала в виде отклонения стрелки директорного прибора и задаваемое ею положение штурвала (или усилие, прикладываемое к штурвалу).

Способ необходим при замене человека-оператора его математической моделью, например, для имитации действий человека-оператора (например, летчика) при математическом моделировании и анализе процессов директорного управления динамическим объектом, например самолетом.

Известен способ формирования математической модели собственной инерционности человека-оператора (прототип) (см. Доброленский Ю.П., Иванова В.И., Поспелов Г.С. Автоматика управляемых снарядов. - М: Государственное научно-техн. изд-во ОБОРОНГИЗ, 1963. - 548 с.) в виде передаточной функции последовательного соединения звена чистого запаздывания, апериодического и форсирующего звеньев.

Недостатком этой модели является ее неполнота и неточность, например, при отслеживании человеком-оператором по директорному прибору заданных положений штурвала, соответствующих различным временным функциям. Например, если заданное положение штурвала представляет собой ступенчатую функцию, то оказывается необходимым добавление к передаточной функции прототипа интегрирующего звена (Оболенский Ю.Г., Похваленский В.Л., Теряев Е.Д., Якубович М.М. Разработка и исследование модели действий летчика при позиционировании ручки управления самолетов. - М.: Наука// Проблемы машиностроения и надежности машин, 2004, №5. – С. 70-77). Однако эксперименты показывают, что при экспоненциальной функции заданных положений штурвала целесообразно добавление не интегрирующего, а апериодического звена с постоянной времени, равной постоянной времени изображения Лапласа задаваемой экспоненты.

Предлагаемое решение отличается тем, что формируют и дополнительно подключают математическую модель оценок переменных состояния предполагаемой динамической модели задатчика-генератора заданных положений штурвала, соответствующую, например, изображению Лапласа реальной временной функции заданных положений, так, что сигнал выхода математической модели собственной инерционности человека-оператора через коэффициенты усиления суммируют с входными сигналами каждого интегратора математической модели оценок переменных состояния задатчика-генератора, т.е. с производными ее переменных состояния, как в известных наблюдающих устройствах, а взвешенная сумма этих оценок, соответствующая динамической модели задатчика-генератора, является выходом полной математической модели человека-оператора и входом штурвала.

Суть предложенного решения поясняется Фиг. 1, где приведена блок-схема имитации процесса отслеживания человеком-оператором по директорному прибору заданных положений штурвала с предложенным дополнением к модели собственной инерционности человека-оператора.

На Фиг. 2 представлены переходные процессы отслеживания ступенчатых заданных положений штурвала в стендовом эксперименте с реальным участием человека-оператора.

На Фиг. 3 представлены переходные процессы имитационного математического моделирования того же процесса, что и на Фиг. 2, с соответствующей входному сигналу математической моделью человека-оператора и моделью штурвала с выбранным коэффициентом усиления между двумя частями передаточной функции человека-оператора.

На Фиг. 4 представлены переходные процессы отслеживания экспоненциальных заданных положений штурвала в стендовом эксперименте с реальным участием человека-оператора.

На Фиг. 5 представлены переходные процессы имитационного математического моделирования того же процесса, что на Фиг. 4, с соответствующей входному сигналу математической моделью человека-оператора и моделью штурвала с выбранным коэффициентом усиления между двумя частями передаточной функции человека-оператора.

Принятые обозначения:

1 - задатчик-генератор заданных положений штурвала;

2 - сумматор;

3 - директорный прибор (ДП);

4 - математическая модель собственной инерционности человека-оператора (прототип);

5 - вектор-столбец коэффициентов усиления (в общем случае переменных);

6 - математическая модель оценок переменных состояния динамической модели задатчика-генератора, соответствующая, например, преобразованию Лапласа временной функции заданных положений штурвала;

7 - полная математическая модель человека-оператора;

8 - математическая модель штурвала;

9 - модель датчика сигнала отклонения штурвала Хш;

хз - временная функция заданных положений (отклонений) штурвала (выход блока 1);

хшр - отклонение модели штурвала (выход блока 8);

е - ошибка отклонения штурвала (е=хзш) (выход сумматора 2);

еп - выход математической модели собственной инерционности человека-оператора (блока 4);

х - вектор переменных состояния предполагаемой или реальной динамической модели задатчика-генератора заданных положений штурвала;

х(0) - вектор начальных значений переменных состояния динамической модели задатчика-генератора;

хм - вектор оценок переменных состояния математической модели задатчика-генератора в математической модели человека-оператора;

хзм - оценка задаваемого моделью человека-оператора положения штурвала (выход блока 6);

А - матрица обратных связей динамической модели задатчика-генератора;

Н - матрица-строка формирования заданной временной функции х3 из компонент вектора х;

К - векторный коэффициент усиления в математической модели человека-оператора в общем случае переменный по времени (блок 5);

Wп(s)=e-τs (T1s+1)/(T2s+1) - передаточная функция собственной инерционности человека-оператора (модель прототипа) (блок 4);

Wш(s) - передаточная функция модели штурвала (блок 8).

Последовательность действий по способу.

Формируют математическую модель оценок переменных состояния динамической модели задатчика-генератора заданных положений штурвала на основе предполагаемой динамической модели задатчика-генератора, например, в виде линейных векторных дифференциального и алгебраического уравнений

где х - n-мерный вектор переменных состояния генератора заданных положений штурвала с начальным условием х(0), А - матрица (nxn), Н - матрица-строка (nx1). Эти уравнения и их параметры, если они стационарны, должны соответствовать преобразованию Лапласа временной функции заданных положений штурвала. Для некоторых задач система типа (1), (2) может быть нестационарной и нелинейной.

Соответственно предложенному решению математическая модель вектора оценок переменных состояния задатчика-генератора и задаваемого моделью человека-оператора положения штурвала, запишется в виде уравнений

Здесь выход модели собственной инерционности человека-оператора (прототипа) еп корректирует, как это требуется в наблюдающем устройстве, переменные состояния модели (Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. - М.: Машиностроение, 1976. - 184 с).

Уравнения (3), (4) представляют предлагаемое дополнение к математической модели прототипа.

Рассмотрим на примерах получение полной математической модели человека-оператора.

Пример 1. Пусть заданные положения штурвала представляют собой функцию в виде знакопеременных постоянных значений, равных по модулю величине 2,5. Тогда, например, на участке положительного значения хз=2,5 преобразование Лапласа будет равно 2,5/s, а уравнения динамической модели задатчика-генератора будут иметь вид

dx/dt=0,

хз=х,

х(0)=2,5.

Соответственно предлагаемое дополнение к математической модели собственной инерционности человека-оператора будет определяться уравнениями

dxм/dt=keп,

хзмм.

В результате полная математическая модель человека-оператора соответствует передаточной функции

Wп(s)=e-τs k(T1s+1)/((T2s+1)s),

где предлагаемое дополнение к модели прототипа представляет собой интегрирующее звено k/s.

Конкретные значения всех констант τ, k, Т1, Т2 могут быть определены по результатам стендового эксперимента для конкретного человека, участвовавшего в эксперименте.

На фиг. 2 приведен фрагмент (с 30-й по 34-ю секунду) процессов отслеживания конкретным человеком-оператором заданных ступенчатых положений штурвала в физическом (стендовом) эксперименте, где показаны заданные положения хзс и получающиеся при отслеживании отклонения штурвала хшр, а также величина ошибки отклонения e(t). При этом хзш=2,5 при t<30 с и хз=-2,5 при t>30 с, а начальная ошибка е=0 при t<30 с и е=5 при t>30 с. В результате ошибка обнуляется через 1,5 с.

На фиг. 3 приведен аналогичный фрагмент математического имитационного моделирования на ПЭВМ для тех же заданных положений штурвала с выбранными подходящими значениями всех параметров математической модели конкретного человека-оператора τ=0,3, k=1,23, Τ1=0,27, Т2=0,15. Передаточная функция штурвала имела вид

Wш(s)=200/(s2+23s+200).

Как видно, имитационное математическое моделирование с полученной полной математической моделью человека-оператора хорошо повторяет стендовое.

Пример 2. Пусть заданное положение штурвала представляет знакопеременные отрезки экспоненциальных функций времени хз=cie-0,2t, где величина ci меняется от 2,5 до 4,5 и может иметь разные знаки. Тогда, например, на участке положительного значения ci=2,5 преобразование Лапласа будет равно 2,5/(s+0,2), а уравнения динамической модели задатчика-генератора будут иметь вид

dx/dt=-0,2х,

xз=x,

х(0)=2,5.

Соответственно предлагаемое дополнение к математической модели собственной инерционности человека-оператора будет определяться уравнениями

dxм/dt=-0,2хм+kеп,

xзм=xм.

В результате полная математическая модель человека-оператора соответствует передаточной функции

Wп(s)=e-τs k(T1s+1)/((T2s+1)(s+0,2)),

где предлагаемое дополнение к модели прототипа представляет собой апериодическое звено с передаточной функцией k/(s+0,2).

Конкретные значения всех констант τ, k, Τ1, Т2 могут быть определены по результатам стендового эксперимента для конкретного человека, участвовавшего в эксперименте.

На фиг. 4 приведен фрагмент (с 20-й по 30-ю секунду) процессов отслеживания заданных экспоненциальных функций положений штурвала в стендовом эксперименте, где показаны заданные положения хз=4,4е-0,2t и получающиеся при отслеживании отклонения штурвала xp(t), а также величины ошибки отклонения e(t)=xз(t)-xp(t). При этом хзр=-0,6 при t<20 с и хз=4,4 при t>20 с, а начальная ошибка е=0 при t<20 с и е=5 при t>20 с. В результате ошибка обнуляется через 1,5 с.

На фиг. 5 приведен аналогичный фрагмент математического имитационного моделирования на ПЭВМ тех же процессов, что и на Фиг. 4, с выбранными значениями параметров τ=0,3, k=1,08, Τ1=0,18, Т2=0,15.

Как видно, имитационное моделирование с полученной полной математической моделью конкретного человека-оператора, как и в примере 1, хорошо повторяет стендовое.

Рассмотрение этих и других примеров заданных положений штурвала позволяет сделать общий вывод о том, что добавляемая часть математической модели человека-оператора соответствует динамической модели задатчика-генератора.

Технический результат от использования предложенного способа формирования математической модели человека-оператора заключается в повышении точности математического имитационного моделирования на ПЭВМ и анализа процессов директорного управления, если оно основано на системе отслеживания человеком-оператором заданных положений штурвала, как это рекомендуется в работе (Елисеев В.Д., Клюев Е.Д., Петрин К.В., Теряев Е.Д. Повышение качества директорного управления динамическим объектом. - М., Проблемы управления, 2012, №4. – С. 69-74).

Новизна предложенного изобретения подтверждается отличительной частью формулы изобретения, что не было известно до сих пор, а именно к известной математической модели собственной инерционности человека-оператора для повышения точности добавляют наблюдающее устройство в виде корректируемой человеком-оператором математической модели оценивания переменных состояния динамической модели задатчика-генератора заданных положений штурвала.

Способ формирования математической модели человека-оператора в системе отслеживания заданных положений штурвала по сигналу ошибки на директорном приборе, заключающийся в том, что формируют математическую модель собственной инерционности человека-оператора в виде последовательного соединения звена чистого запаздывания, апериодического и форсирующего звеньев, входом которой является наблюдаемое им на директорном приборе отклонение планки, метки или стрелки от нулевого положения, пропорциональное ошибке отклонения штурвала от заданного положения, отличающийся тем, что формируют и дополнительно подключают математическую модель оценок переменных состояния динамической модели задатчика-генератора заданных положений штурвала, соответствующую, например, изображению Лапласа реальной временной функции этих положений, так что выход математической модели собственной инерционности человека-оператора через коэффициенты усиления суммируют с входными сигналами каждого интегратора математической модели оценок переменных состояния задатчика-генератора, т.е. с производными ее переменных состояния, как в известных наблюдающих устройствах, а взвешенная сумма этих оценок является выходом полной математической модели человека-оператора и входом штурвала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области военной техники, а именно к средствам боевой подготовки операторов систем вооружения, основой последующей боевой деятельности которых является своевременное выполнение предписанных алгоритмов для подготовки и производства выстрела.

Изобретение относится к области диспетчеризации потоков нефти и нефтепродуктов, а именно к тренажерным комплексам диспетчера, которые предназначены для начальной подготовки и периодического обучения оперативно-диспетчерского персонала.

Программно-аппаратный тренажер командно-штабной машины Р-149МА1 (ПАТ КШМ Р-149МА1) предназначен для обучения принципам работы каждого члена экипажа командно-штабной машины (КШМ) Р-149МА1 в отдельности и принципам совместной работы членов экипажа КШМ Р-149МА1, а также для обеспечения совместной работы с комплексом учебно-тренировочных средств (КУТС) в общем 3D-пространстве, а также в части речевого обмена и дистанционного управления радиостанциями (PC).

Компьютерный тренажер, имитирующий системы пуска объектов и взаимодействующие с ними корабельные системы, построенный на сети персональных компьютеров, объединенных в локальную вычислительную сеть, содержит рабочее место руководителя с определенным программным обеспечением и рабочие места обучаемых, имитирующие интерфейс и функциональные задачи системы управления объектом.

Тренажерный центр для экипажей судов содержит автоматизированные рабочие места (АРМ) обучаемых, программируемый блок моделирования, блок оценки результатов тренинга, АРМ руководителя обучения, модуль селекции режимов и типа тренинга, соединенные определенным образом.

Изобретение относится к системе интерактивного обучения и может быть использовано для групповой и/или индивидуальной подготовки и повышения квалификации персонала, эксплуатирующего и обслуживающего автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Изобретение относится к моделям и логико-математическому моделированию, которые следует рассматривать как учебные или тренировочные средства. Способ представляет инструмент разработки различных сценариев развития оперативной обстановки и формирования на их основе соответствующей модели радиоэлектронной обстановки (РЭО) для профессиональной подготовки специалистов радиомониторинга (РМ).

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения пространственного положения буровой машины. Тренажер глазомерного определения положения буровой машины относительно плоскости забоя, состоит из пластины с угловой шкалой, имитатора буровой машины, включающего буровой молоток с буровой штангой, выполненной телескопической с возможностью соединения с шаровой пятой шарового шарнира, закрепленного на плоскости забоя, присоединенную к буровому молотку шарнирно телескопическую опору, соединенную с основанием, а также размещенного на верхней площадке бурового молотка кожуха, снабженного источником света и угломерной шкалой в виде полукруга с отвесом, при этом источник света расположен перпендикулярно оси бурового молотка, пластина выполнена плоской и установлена перпендикулярно плоскости забоя, а угловая шкала, размещенная на пластине, проградуирована по формуле: где Lβ - длина отрезка угловой шкалы, отмеряемого от плоскости забоя, соответствующая величине горизонтального угла β;Lшт - длина от шарового шарнира до оси источника света;L - длина от шарового шарнира до пластины с угловой шкалой;β - величина горизонтального угла, град.Технический результат заключается в упрощении конструкции.

Программно-аппаратный тренажер аппаратуры для шифрования телефонной информации предназначен для обучения принципам работы с аппаратурой для шифрования телефонной информации (аппаратура Е11С) и обеспечения совместной работы с комплексом учебно-тренировочных средств в части речевого обмена.

Способ может быть использован в обучении операторов работам с мобильными дозиметрическими комплексами. Преподаватель моделирует с помощью программы ПРИЗМА условно радиоактивно-загрязненную местность (РЗМ) произвольной формы, размера и площади с переменной радиоактивностью по поверхности.

Изобретение относится к способу имитации беспилотного летательного аппарата (БЛА) для отработки системы наведения при проведении летных испытаний. Для этого задают полетное задание с помощью модуля программатора беспилотному летательному аппарату, проводят предстартовый контроль, включают систему наведения, выставляют инерциальную систему управления, размещают имитатор БЛА на авиационном носителе, подключают бортовой разъем имитатора к аппаратуре носителя, подают питание на бортовой разъем имитатора, осуществляют полет авиационного носителя по траектории, приближенной к заданной для БЛА, производят имитацию пуска, функционирования и токопотребления БЛА, записывают информационный обмен на внутреннее запоминающее устройство, регистрируют телеметрическую информацию, производят ее обработку и анализ после полета.

Изобретение относится к области измерительной техники для обеспечения летных испытаний, исследований воздушных судов (ВС) и их систем и может быть использована для контроля и управления ходом испытательного (исследовательского) полета ВС.

Изобретение относится к области авиационной техники и может быть использовано для отработки бортового и наземного оборудования при исследовании и создании аппаратно-программных средств и методов обнаружения и предупреждения потенциально конфликтных ситуаций в воздушном пространстве, отработки алгоритмов и индикации обеспечения группового полета самолетов, для подготовки и тренировки летного состава при выполнении полета строем, дозаправки самолетов в воздухе, киносъемки опытного самолета.

Изобретение относится к комплексным испытательным устройствам. .

Изобретение относится к моделированию в авиационной технике и может быть использовано для определения технического уровня радиоэлектронных систем. .

Изобретение относится к системам безопасности, предотвращающим развитие чрезвычайной ситуации. Технически достижимый результат - повышение эффективности защиты технологического оборудования и людских ресурсов от аварийных ситуаций путем возможности прогнозирования развития чрезвычайной ситуации при аварии на взрывоопасном объекте. Это достигается тем, что в способе для моделирования чрезвычайной ситуации, содержащем макет взрывоопасного объекта, установленного на стойках, с установленным в нем инициатором взрыва, защитный чехол и поддон, при этом чехол с поддоном представляют собой единую замкнутую конструкцию, образованную вокруг макета взрывоопасного объекта, размещенного в испытательном боксе, при этом макет оборудован транспортной и подвесной системами, а защитный чехол выполнен многослойным и состоящим из обращенного внутрь к макету алюминиевого слоя, а также резинового и перкалевого слоев, макет взрывоопасного объекта оснащен исследуемом на стенде объектом: взрывозащитным элементом, установленным над отверстием в верхней части макета, который состоит из бронированного металлического каркаса с бронированной металлической обшивкой и наполнителем - свинцом, а в верхней части макета, у отверстия, симметрично относительно его оси, заделаны четыре опорных стержня, телескопически вставленные в неподвижные патрубки-опоры, заделанные в панели взрывозащитного элемента, а для фиксации предельного положения панели к торцам опорных стержней приварены листы-упоры, между дополнительными элементами и металлическим каркасом с бронированной металлической обшивкой, на опорных стержнях устанавливают втулки из быстроразрушающегося материала, например стекла типа «триплекс», при этом систему оповещения о чрезвычайной ситуации с индикатором безопасности оснащают узлом крепления «слабого звена» в системе безопасности взрывоопасного объекта, реагирующего на возникновение аварийной ситуации, выполненного, например в виде индикатора безопасности, закрепленного между фланцами, которые жестко закреплены на верхней части бронированной металлической обшивки металлического каркаса противовзрывной панели, и в верхней части покрытия взрывоопасного объекта у проема, предназначенного для сбрасывания избыточного давления, при этом индикатор безопасности выполняют из датчика, реагирующего на деформацию, например тензорезистора, выход которого соединяют с усилителем сигнала, например тензоусилителем, а выход тензоусилителя соединяют с входом устройства системы оповещения об аварийной ситуации. 5 ил.

Изобретение относится к способу формирования математической модели человека-оператора в системе отслеживания заданных положений штурвала по сигналу ошибки на директорном приборе. Формируют математическую модель в виде последовательного соединения звеньев чистого запаздывания, апериодического и форсирующего, математической модели оценок переменных состояния динамической модели задатчика-генератора заданных положений штурвала, выход которой через коэффициенты усиления суммируют с входными сигналами каждого интегратора математической модели оценок переменных состояния задатчика-генератора, получают на выходе математической модели человека оператора и входе штурвала сигнал, равный сумме взвешенных оценок переменных состояния задатчика-генератора определенным образом. Обеспечивается повышение точности математического имитационного моделирования и анализа процессов директорного управления. 5 ил., 2 пр.

Наверх