Устройство для оценки деятельности операторов систем управления

те ОП ИСАНИЕ ИЗЬБРЕТЕН ИЯ Союз СоветскикСоциалистическиеРеспублик 1752458 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51)М. Кл,(22) Заявлено 07.08.78 (2 ) 2654932/18-24 Ц 09 В 9/00 с присоединением заявки Нй Гооудврстввнный комитет(23) П рнорн гет ао аллам изворетений и открытий(72) Авторы изобретения Ордена Трудового Красного Знамени институт физиологии им. И. П. Павлова АН СССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕНКИ 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-;тО ных характеристик в виде передаточных функций. При этом особенность работы отдельного оператора отражается на форме передаточных функций и 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 2через 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 фазами 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 воэможности оценить оптимальность работы различныхНа фиг. 1 приведена схема рассматриваемого устройства, содержащая генератор 1 (звдаваемых функций), блок 2 индикации, блок 3 ввода ответных действийоператора, вычислитель 4 ошибок, блок 5регистрации, 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 10(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 иузлы 27-29 интегрирования,На фиг, 3 представлена схема узламоделирования ответных реакций, на котором изображены вход 30 и выход 31узла, сумматоры 32-34, интеграторы 2035-37, 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, гдеизображены 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 Щ согласно уравнению (1), Этот сигнал пупт на один из индов вычислителя 4 ошибок, на другой вход которого подается с блока 3 ответный сигнал оператора 1 ( С) . 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).55Это осуществляется следующим обраэоме. Входной задающий тест-сигнал поступает на вход узла 17, который поеобразует этот сигнал согласно 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 1 условия (4) и соответствует величинам коэффициентав а, а, а урав-Днения (2). Эти сигналы с выходов трех интеграторов 27-29 подаются на три управляющих входа всех узлов 17-20 и изменяют коэффициенты а, а,а уравнения (2) согласно уравнению градиентного спуска Ц.да; (О=;ча; (8)где ( = 1,2,3, и; , - , весовые коэффициенты; ч а 1 - выходные сигналы узлов 24-26, минимизируя тем самым значение функционала 1 уравнения (4).Узлы 17-20 преобразуют входные сигналы в выходные согласно уравнению (1) спедующим образом. Входной сигнал поступает на управляемый делитель 38 напряжения, и далее на цепочку, состояшую из 3 -х сумматоров 32-34 и 3-х интеграторов 35-37, сигнал с выхода последнего ин"гегратора 37 подается черер делигели 39-41 на входы всех сумматоров и выход 31 узла. На входы управления - выходы 14-16 подаются сигналы, пропорциональные величинам коэффициентов а, а, аз уравнения (2). Управляющий сигнал с выхода 16 подается на нелинейный преобразователь 44, который преобразует сигнал а в сигнал даэ Последний сигнал управляет двумя делителями, минимизируя тем самым значение функционала 1 уравнения (4).Узлы 17-20 (фиг. 3) 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 интрграторов 35-37.7524587 8 , Сигнал с выхода последнего элемента Коэффициенты Г ,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 применяет- преобразуется нелинейным преобразова ся для контроля и исследования работы телем 44 в сигнал пропорциональный оператора и позволяет получать количест/а и поступает на управляющие входы венные оценки биомеханического законаа и ст двух делителей 38, 39 и входы двух управления, характеризующего деятель- узлов 42, 43. А управляющие сигналы ность оператора, и те критерии, которыа 1, а подаются соответственно на вхо 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 легкоа,ношению и , с выход уз . 20 интерпретировать полученные оценки. Кро и 43 поступают на управляющие вхо- ме того, при получении оценок биомеханиды соответствующих делителей 38-41, ческого закона управления появляется воз- В 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 процессевыхода узла 17 при- работы сам выбирает из всего набора возПри этом сигнал с выхода узла ближается к сигналу ответа оответа оператора. можных управлений наиболее, по его мнеОдновременно с прео ра опреобразователями нию, оптимальные и руководствуется ими. сигналов в блоке величины коэ 9 ины коэффициен- При этом названные критерии остаются нени (2) в виде 30 известными для внешнего наблюдения. 1 ф 2 ЭМежду 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 , (Ц сопоставляется З 5 ность работы оператора, а также отразить своя задача оптиача оптимального управления на изменение характера управления связан- основе иомеханичб 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 восстанавливаетсяанавливается закон управления, 40 биомеханического закона управления которым руководст о оводствовался оператор отф можно использовать как для исследовавечая на задавши тзадающий тест-сигнал. Для этой ния процессов управления в системах цели нелинеиными человек-машина, так и для оценки деявычислителяя 10 вычисляются неизвестные тельности оператора, оптимальности его коэффициенты функционала нты функционала 1. (7) . 45 работы, необходимые при профессиональных отборах и для оценки его готовО, - 2 с; = С Р Ъ 1 б Э 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 50 управления на этапе ихпроектирования. этих коэффициентов происходит как в процессе каждой реакции испытуемого наинтервале 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 551. Устройство для оценки деятель- и 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 10ненный через одни делители напряжения спервым 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 иэкоторых 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. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР25 М 435554, кл. 6 09 В 7/02, 1974.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке 1 2551849/18-12,кл. С 09 В 9/00, 1977 (прототип).3. Опейников В. А.,Зотов Н. С. изо иПришвин А. М. Основы оптимального иэкстремального 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 я5 тем, что, с целью повышения точности оценки, оно содержит блок адаптивного моделирования изучаемых процессов, соединенный с генератором и вычислителем1 О ошибок, и вычислитель оценок закона 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, соедиА. Карлов талош Корректор И. К альчук Т Зак аз 4773/24 Гираж 465 ЦНИИПИ Государственного комитет по делам изобретений и открыт 113035, Москва, Ж, Раушск