автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Динамическая идентификация и оценивание состояния человека-оператора в системах "человек-машина"

УДК 681.5.007 На правах рукописи Устюжанин Александр Дмитриевич

ДИНАМИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ОЦЕНИВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА В СИСТЕМАХ «ЧЕЛОВЕК-МАШИНА»

05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах) (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

<1 1 НОЯ 2010

Москва-2010

004612068

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана. •

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Пупков Константин Александрович

Официальные оппоненты: Член-корреспондент РАН, доктор технических

наук, профессор ФГУП «ГосНИИАС» Себряков Герман Георгиевич

Защита состоится «16» ноября 2010г. в 14:30 час, на заседании Диссертационного совета Д 212.141.02 в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу 105005, Москва, 2-ая Бауманская ул., д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета имени. Н.Э. Баумана

Кандидат технических наук, доцент ОАО «ВПК НПО Машиностроение» Суханов Эдуард Дмитриевич

Ведущая организация: Институт проблем управления

им. В.А. Трапезникова РАН

Автореферат разослан «_»

2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сложность объектов управления непрерывно растет. Это связано с тем, что цели, которые ставятся перед этими объектами, являются более многогранными и должны достигаться при различных, порой экстремальных воздействиях окружающей среды. В огромном числе случаев в управлении объектами участвует человек. Будем называть его «человек-оператор». События последних лет показывают, что для эффективного действия объектов в этих случаях необходимо уделять особое внимание изучению динамических свойств человека-оператора, обучению и адаптации его к воздействию окружающей среды для достижения цели, поставленной перед системой «человек-машина».

Часть функций управления в современных системах берет на «себя» компьютер, однако, это не исключает человека из решения задачи управления, а освобождает его для решения самых сложных проблем, неподдающихся автоматизации. Поэтому задачи исследования динамики человека-оператора в человеко-машинных системах, его обучение и адаптация не упрощаются, а наоборот, становятся более сложными. В связи с этим разработка методов динамической идентификации характеристик человека-оператора и оценки его состояния с целью определения допустимых параметров при управлении объектами различного типа, разработка методов синтеза желаемых характеристик человека-оператора, методов оценки степени его обученности, обеспечивающей достижение цели, поставленной перед системой человек-машина, является весьма актуальной. Кроме того, важно уметь оценивать влияние внешних воздействий на эффективность работы человека-оператора, таких как вибрация. Важное значение имеет также разработка и создание инструментальных средств и программного обеспечения, позволяющих реализовать указанные методы.

Именно рассмотрению указанных задач посвящена данная диссертация. Интерес к исследованию динамических характеристик человека-оператора существует с давних пор:

В отечественной практике определенные результаты получены в работах JI.H. Преснухина по описанию операторской деятельности при управлении артиллерийским зенитным огнем, С.М. Фёдорова по автоматизированному управлению самолетами и вертолетами,

Г.Г. Берегового, А.И. Яковлева, В.М. Васильца, A.B. Туманова, Э.Д. Суханова, посвященных моделированию систем полуавтоматического управления космических кораблей и других авторов.

К результатам, полученным зарубежными авторами, следует отнести работы П.Т. Мак-Руэра, Е.С. Крендела, Т.Б. Шеридана, В.Р. Феррела и других авторов. Следует заметить, что во всех этих исследованиях человек-оператор рассматривался как линейное динамическое звено системы «человек-машина», параметры которого определялись экспериментально на отдельных конкретных

системах. Лишь передаточная функция с переменными параметрами человека-оператора была получена

Т.Б. Шериданом на специальном стенде.

Тем не менее, результаты исследований динамических свойств человека-оператора показывают, что при больших уровнях возбуждения как по информационному каналу, так и по каналу восприятия вибрации проявляются его нелинейные свойства. Поэтому в данной работе рассмотрен другой подход к исследованию динамических свойств человека-оператора как нелинейного звена системы «человек-машина». Он основан на применении в качестве математической модели динамики человека-оператора ряда из ортогональных G-функционалов Винера. Этот подход предложен и разработан К.А. Пупковым. Именно на применении такого подхода развивалось исследование в данной работе.

К числу других работ, посвященных исследованию динамики человека-оператора и систем «человек-машина» следует отнести работы В.И. Капалина, С.Н. Музыкина, Г.Г. Себрякова, A.C. Ющенко, проблемам создания учебно-тренировочных комплексов и разработке методик обучения посвящены результаты A.B. Пономаренко, В.М. Васильца, В.В. Михайлова, А.И. Наумова, Ю.Г. Оболенского, O.A. Пащенко, В.М. Холтобина, дающие научно-методическое и инженерно-психологическое обоснование структуры и обучающих характеристик интеллектуального интерактивного учебно-тренировочного комплекса.

Целью работы является создание теоретических основ динамической идентификации характеристик человека-оператора и методов, позволяющих определить предельные значения параметров этих характеристик для обеспечения устойчивости и желаемого качества систем «человек-машина» при управлении объектами различного типа.

Задачами работы являются:

1. Анализ и обобщение методов идентификации линейных и нелинейных систем на основе функционального ряда Винера при статистических воздействиях.

2. Разработка регуляризованных алгоритмов определения ядер G-функционалов Винера.

3. Разработка методики определения ядер G-функционалов Винера человека-оператора по экспериментальным данным.

4. Исследование влияния параметров передаточной функции человека-оператора на устойчивость и качество работы системы «человек-машина» при управлении объектами различного типа.

5. Исследование влияния вибрации на динамические свойства и эффективность деятельности человека-оператора.

6. Оптимизация взаимодействия человека и техники в системах «человек-машина».

7. Разработка методики оценки степени обученности человека-оператора.

8. Создание макета стенда для динамической идентификации и оценки состояния человека-оператора.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Получены регуляризованные алгоритмы определения ядер в-функционалов Винера по экспериментальным данным.

2. Решена задача определения предельных значений параметров динамических характеристик человека-оператора, обеспечивающих устойчивость и желаемое качество при управлении объектами различного типа в системах «человек-машина».

3. Получена амплитудно-частотная характеристика человека-оператора по отношению к вибрации и, соответственно, передаточная функция.

4. Разработана методика оценки эффективности работы человека-оператора при одновременном получении сведений по информационному каналу и воздействии вибрации. Показано, что при одинаковых уровнях спектральной плотности воздействия по информационному каналу и по вибрации средний квадрат отклонения регулируемой величины по вибрации выше, чем средний квадрат ошибки слежения.

5. Разработана методика синтеза желаемой передаточной функции человека-оператора в системе человек-машина при заданном времени переходного процесса, коэффициентах ошибки воспроизведения регулярного сигнала и спектральных плотностей полезного сигнала и помех.

6. Разработана методика оценки степени обученности человека-оператора.

Практическая ценность работы.

Результаты работы позволяют:

- Осуществлять динамическую идентификацию и оценивание состояния человека-оператора в человеко-машинных системах;

- Судить о готовности работы человека-оператора для реализации управления тем или иным динамическим объектом;

- Синтезировать желаемые динамические характеристики человека-оператора при сложных воздействиях окружающей среды на систему «человек-машина»;

- Оценивать степень обученности человека-оператора;

- Разработать техническое задание на проектирование образца стенда динамической идентификации и моделирования систем «человек-машина».

Внедрение результатов.

Результаты работы использованы в курсе «Моделирование и испытание систем автоматического управления», будут использованы при проектировании систем управления летательных аппаратов МКБ им. А.И. Микояна, П.О. Сухого и другими организациями. А также при оценке степени обученности при подготовке летного состава на тренажерах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод динамической идентификации и оценивания состояния человека-оператора в системах «человек-машина».

2. Решение задачи определения предельных значений динамических характеристик человека-оператора при управлении объектами различного типа.

3. Результаты исследования влияния вибрации и определение амплитудно-частотной характеристики и передаточной функции человека-оператора по отношению к вибрации.

4. Результаты исследования совместного воздействия на человека-оператора по информационному каналу и по вибрации на точность работы системы «человек-машина».

5. Метод оценки степени обученности человека-оператора по результатам испытаний.

6. Стенд для испытаний деятельности человека-оператора и математического моделирования систем «человек-машина».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:

1. V Международный симпозиум «Интеллектуальные системы», г. Калуга, 2002г.

2. VI Международный симпозиум «Интеллектуальные системы», г. Саратов, 2004г.

3. European Conference for Aerospace Sciences, г.Москва, 2005г.

4. VII Международный симпозиум «Интеллектуальные системы», г. Краснодар, 2006г.

5. VIII Международный симпозиум «Интеллектуальные системы», г. Нижний Новгород, 2008г.

6. XXVIII-XXXIV Академические чтения по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики», г. Москва, 2004-2010гг.

7. VI Международная конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI век», г. Воронеж, 2005г.

8. VII Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2008», г. Москва, 2008г.

9. «Инженерные системы - 2010», г. Москва, 2010г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, среди них 6 научных статей в изданиях, включенных в список ВАК и 13 публикаций в научных трудах и материалах международных и всероссийских конференции, симпозиумов и чтений; научно-исследовательские отчеты:

- По проекту «Комплексирование робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления в интеллектуальных системах высокой точности и надежности» по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)», Гос. Per. темы №01200611718, отчет №02200606722 и др.

- По проекту «Динамическая идентификация и оценивание состояния человека-оператора в человеко-машинных системах» Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 07-08-00262, 2008г., Гос. Регистрация темы № 01200802509, отчет №02200801715.

Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и приложения.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, рассмотрена концептуальная схема системы «человек-машина». В данной работе ставится задача более полного описания динамических свойств человека-оператора как нелинейного звена системы. Кроме того, во введении сформулированы цели и задачи работы, связанные с исследованием устойчивости и качества систем «человек-машина» в зависимости от параметров динамических характеристик человека-оператора для различных типов объектов управления, влиянием вибрации на точность управления, решением задачи синтеза желаемых динамических характеристик человека-оператора.

Первая глава диссертации посвящена обсуждению проблемы динамической идентификации нелинейных систем методом Винера.

В работе в связи с этим рассматривается наиболее общий метод непараметрической нелинейной идентификации, к которым относится метод Винера. Он заключается в аппроксимации точной модели объекта у = /""(х) (1) с помощью отрезка ряда, составленного из ортогональных функциональных полиномов, называемых полиномами Винера, или ¿-функционалами Винера. В (1) F - некоторый оператор точной модели «черного ящика», ах и у - входной и выходной сигналы соответственно. Здесь осуществлен вывод уравнения для полиномов Винера в предположении, что х(1) - стационарный гауссов процесс с нулевым математическим ожиданием и корреляционной функцией г). Полученные ортогональные полиномы были впервые построены для процесса Броуновского движения Н.Винером, а ряд

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

(2)

составленный из них, будем называть рядом Винера, где

к; - ядра в-функционалов Винера,

*(/)- белый Гауссов процесс с интенсивностью с1,

у(0- оценка реакции реальной нелинейной динамической системы на входной сигнал.

Полученная форма для в-функционалов принимают вид

(3)

С2[к2,х]= ) }^(т„г2)Пдс(/-г,Ут,Л2 -с2 }*г(г2)</г2.

/■"! и т. д.

Задача идентификации методом Винера состоит в определении ядер функционалов модели (2) по измерениям реализаций входного и выходного сигналов системы (1).

Ю.В. Ли и М. Шетцен показали, что для определения ядер по измеренным реализациям можно использовать формулу:

кЛг„т2.....г„) = - (*„,-г, )*(' - г2)...^- г„), (4)

С П\ [ ШвО ]

где черта означает среднее по времени.

Эта формула используется в дальнейшем при построении методики определения ядер к„.

В данной главе рассмотрены также проблемы сходимости ряда Винера и оценка точности аппроксимации. Выяснено, будут ли малым погрешностям в определении ядер соответствовать малые отклонения приближенного решения у от точного у = Р(х), то есть рассмотрена проблема устойчивости суммирования ряда.

Показано, что точность аппроксимации д2 при ограниченном числе первых членов разложения будет иметь вид (5), где йу и Е)-у- дисперсии реального выхода и оценки соответственно.

II N И2

д; = = £>, -а, (5)

Если набор ядер Винера {к,(г,.....г,)} - точные ядра модели, и {Л,(г,,...,г,)} -

ядра модели, измеренные приближенно по экспериментальным данным, мало отличаются друг от друга, т.е., если Зг > О такое, что

2|МГ,.....Г,)-*>„...,Г,)[25£, (6)

I-о

то вследствие изометрии будут мало отличаться соответствующие суммы рядов Винера

А2=М{(у-у)2}йе. (7)

здесь У = ¿(7, [£,,*] - выходной сигнал модели с приближенно определенными 1*0

ядрами {£,(?,,...,г,)}. Это показывает, что процедура суммирования ряда Винера в среднем квадратичном устойчива к малым погрешностям в задании ядер.

В данной главе рассмотрены также регуляризованные алгоритмы определения ядер Винера по экспериментальным данным. Регуляризованные алгоритмы определения ядер Винера рассмотрены в частотной области. Спектр помех е„ при измерении обычно значительно шире, чем спектр полезного сигнала Поэтому применение формулы

^лО"»!>—.У®.) = —;-, П=1,2,... (8)

ы

для нахождения ядер Винера в частотной области может привести к операции деления на нуль или на близкое к нулю значение на тех частотах, на которых 5д(й>) близка к нулю, а е„ отличается от нуля. В результате отклонения приближенного ядра Винера от точного может быть сколь угодно велико, то есть задача определения ядер Винера по экспериментальным данным относится к числу некорректных.

Регуляризованные семейства приближенных решений находятся по формулам

.....М) = ~

. пА

Л = 1,2,... (9)

Здесь а" - параметр регуляризации, а число р = 0,1,2,... определяет порядок регуляризации.

Во второй главе диссертации рассмотрены проблемы моделирования и идентификации человека-оператора в системах «человек-машина». Здесь дана постановка задачи слежения и определены типы дисплеев, на которых отображается информация и виды органов управления. Определены и сформулированы общие принципы изучения таких систем. Далее в этой главе рассматривается метод описания динамических свойств человека-оператора как нелинейного «звена», который был предложен и разработан К.А. Пупковым. Метод основан на использовании экспериментальных данных. Человек-оператор рассматривается как «черный яхцик», на вход которого подается случайный процесс со спектральной плотностью = ' и

корреляционной функцией ЯХ1(т)=с18(т), то есть человек-оператор воспринимает тестовый сигнал в виде реализации «белого» гауссова процесса, в отличие от суммы гармоник, а выходом у (г) будет реакция человека-оператора также в виде реализации случайного процесса. Тест типа «белого» гауссова процесса обладает полнотой по определению.

На основе теоретических результатов, приведенных в главе 1 диссертации, математическую модель человека-оператора можно представить формулой (2), в которую входят ортогональные в-функционалы Винера (3). Проблема построения оценки >•(') реакции человека-оператора состоит в необходимости определения ядер в-функционалов Винера.

Если известны ядра к,, оценку реакции человека-оператора можно получить в виде:

>(') = *„ + ] -гУ г +1\к2(тит2)х(1-тх)х

- ~ ... (Ю)

хх(Г-г2)Л,<*г2 - с2 |А2(г2,т2Уг2

Приближение оценки (10) к истинной реакции дает возможность судить, какое число ядер к, надо определить, чтобы адекватно определить динамические свойства человека-оператора, естественно, в смысле минимума какого-либо критерия, например, минимума среднего квадрата разности (5).

Заметим, что в-функционалы есть не что иное, как интегралы свертки, а к; описывает линейные динамические свойства человека-оператора, ядра более высокого порядка - нелинейные.

Соответственно, можно считать, что преобразование Фурье от *,(г) -передаточная функция человека-оператора:

1У(]ю)=\к{{-:)е-»"с1т (11)

Далее в этой главе дан вывод формул для определения ядер в-функционалов Винера по экспериментальным данным (4).

По эти формулам были в результате эксперимента определены ядра функционалов первого порядка для двух операторов и, соответственно, получены передаточные функции вида:

где К„ = 0,33; т. = 0,16; г, = 0,36

TV +2£,7; j+1 Г,' = 0,4 и i! = 0,6 r,"j + l

(12)

(13)

где к„ = 0,25, г;

Tfs2+2^ T^s + l : 0,22, г," = 0,2, т; = 0,27; = 0,6.

Далее в главе приведены результаты исследования влияния параметров передаточной функции человека-оператора на устойчивость и качество системы «человек-машина». Для различных типов объектов, передаточные функции которых приведены в таблице 1 диссертации, построены области устойчивости и определено допустимое чистое запаздывание в зависимости от добротности контура управления и величины постоянной времени дифференцирующего звена, при котором обеспечивается запас устойчивости по фазе не менее 30% и желаемое качество переходного процесса.

В качестве примера для объекта с передаточной функцией

1 _£(£)

/ 1п.

= 1

(14)

- управление углом атаки статически неустойчивого самолета с помощью руля высоты - приведены область устойчивости (рис. 1) и значения чистого

запаздывания (таблица 5 диссертации).

К

Р 30

ояТ,

Рис. 1. Область устойчивости

Третья глава посвящена исследованию воздействия вибрации на человека-оператора. В диссертации рассмотрено, каким образом можно оценить воздействие вибрации на динамические свойства человека-оператора и на эффективность его деятельности при получении сведений по информационным каналам при управлении тем или иным объектом или процессом. Здесь же разработана и показана структурная схема установки для измерения ядер функционалов Винера как при воздействиях по информационному каналу, по вибрации и при совместном восприятии информации и вибрационных воздействий.

На основании экспериментальных данных впервые удалось получить передаточную функцию человека-оператора по вибрации. Использованы данные спектральной плотности виброускорения на рабочем месте летчика и измерении уровня виброускорения на его голове в вертикальном направлении.

Эта передаточная функция имеет следующий вид:

# =__ ,1<п

,Л (Г/*2+247^+1)(75¥ 1)(Г6У + 2£Г6*+1)'

где Г„ =-!-с; Т5 Т6=~с;^ =0,385; £ =0,021; = 0,005 -,К,К5К6 = 1,33.

ъл У1п 64*

Амплитудная частотная характеристика человека-оператора по отношению к вйбрации имеет вид, показанный на рис. 3.10 диссертации.

Далее в этой главе произведена оценка влияния воздействия вибрации на точность работы системы «человек-машина». Рассматривалась система, структурная схема которой приведена на рис. 2.

x(t)

W\o.(s)

WAs)

V(t)

Рис.2

Структурная схема системы «человек-машина» с учетом вибрации

На этом рисунке: x(t) - входной сигнал по информационному каналу; z(t) - вибрация на рабочем месте оператора; e(t) - ошибка системы; y(t) - выходной сигнал; W4.0.(s) - передаточная функция человека-оператора; W\a(s) -

передаточная функция по вибрации; Wo6(s)=-Ji- - передаточная функция

s

объекта управления.

Оценивалась дисперсия ошибки e(t)-&] и дисперсия выходного сигнала y(t)-o\, обусловленная воздействием вибрации, то есть:

to

о] = ||Ф,0'<и)Г S,{m)dm и а] = ]\<b.UafS:(o>)da> , (16)

-ев

где Ф, 0'&>) и Ф.О'а)-передаточные функции замкнутой в системы

Показано, что вес ошибки при воздействии вибрации при одинаковом уровне спектральных плоскостей с] и с] выше, чем вес ошибки при получении сведений по информационному каналу, то есть

с,2 = 0,35с,2

Четвертая глава посвящена проблемам оптимизации взаимосвязи человека и техники в системах «человек-машина». Здесь изначально поставлена задача синтеза системы «человек-машина» при условии обеспечения тех или иных критериев эффективности достижения цели. Из полученного решения выделяется та часть динамики, которая должна обеспечиваться действиями человека-оператора. Структура задачи приведена на рисунке 3.

Схема получения ошибки воспроизведения

Задача ставится следующим образом: при известной динамике объекта управления заданных характеристиках воздействия на систему:

полезного регулярного сигнала g(t), полезного случайного сигнала m(t), случайной помехи n(t) и случайной вибрации z(t), заданных также желаемых операторах преобразования полезного сигнала Hg(p) и Н(р), при заданных коэффициентах ошибки воспроизведения сигнала g(l) и времени переходного процесса Т синтезировать желаемую передаточную функцию человека-оператора ж,к0.0).

Цель задачи состоит в отыскании такой импульсной переходной функции замкнутой системы «человек-машина», при которой обеспечивается минимум среднего квадрата разности i2(t) между выходом реальной системы y(t) и желаемым сигналом h(t) при соблюдении ограничивающих условий.

Задача решается на условный минимум. Согласно известному правилу необходимо найти минимум функционала (4.14 в диссертации), а решение интегрального уравнения (4.16 в диссертации) дает возможность получить искомую ИПФ К (г), при которой обеспечиваются необходимые и достаточные условия минимума e2(t)-

В данной главе приведено практическое решение задачи для объекта управления 2 в таблице 1 диссертации. Полученная желаемая передаточная функция человека-оператора

свидетельствует о высоких требованиях по динамике, предъявляемых к человеку-оператору при управлении объектом данного типа.

В пятой главе рассматривается задача создания стенда для динамической идентификации и оценки состояния человека-оператора. Разработана структура стенда и определен его состав и программное обеспечение. Принципиальная схема стенда приведена на рис. 4, а общий вид стенда показан на рис. 5. Существенным является то, что с помощью стенда можно не только оценивать динамические свойства отдельно взятого человека-оператора, но и проводить математическое моделирование системы управления динамическими объектами различного типа с целью оценки устойчивости и качества решения задач управления. Реализации тестового сигнала и сигнала реакции человека-оператора, а также ядро первого порядка, рассчитанные по результатам эксперимента приведены на рис. 6.

В заключение в этой главе показаны проблемы обучения и оценки обученности человека-оператора, которые имеют двоякое проявление: с одной стороны необходимо обучать и тренировать человека с целью достижения им требуемых динамических характеристик, а с другой - для эффективного выполнения заданий, поставленных перед системой «человек-машина». В работе дана методика оценки обученности и построения плана

(17)

успешных и неуспешных результатов испытания. Аппроксимирующая функция результатов испытания обучающего будет иметь вид:

К1 = Ъ-1-с{1-е"£/о), (18)

где / - номер испытаний ¡-1,2,3, параметры а, Ъ и с определяются благодаря минимизации функционала (5.18 в диссертации), а оценка степени обученности человека-оператора определяется как вероятность успешной работы к 1-ому испытанию

РЦЕг) = (19)

Рис. 4.

Принципиальная схема стенда

Рис. 5.

Общий вид исследовательского стенда

Реализация тестового сигнала х(0, реализация сигнала реакции оператора вычисленное ядро первого порядка

Выводы

1. Разработана концептуальная модель системы «человек-машина», описывающая восприятие человеком-оператором сведений по информационному каналу и учитывающую воздействие на него вибрации, что соответствует реальным условиям его работы.

2. Рассмотрен и исследован метод Винера непараметрической идентификации нелинейных динамических систем. Дана обобщенная теория построения ортогональных функционалов ряда Винера, исследована сходимость ряда, дана оценка точности. Получены регуляризованные алгоритмы определения ядер Винера.

3. Разработана методика определения ядер Винера для человека-оператора по экспериментальным данным. Показано, что ядра первого порядка определяют линейные динамические свойства человека-оператора.

4. Для класса объектов управления определены требования к параметрам передаточной функции человека-оператора, при которых обеспечивается устойчивость системы «человек-машина» и желаемое качество системы.

5. Впервые получена передаточная функция человека-оператора по вибрации, причем резонансный пик на частоте 4Гц характеризует динамику тела человека, как вязкоупругой механической системы, а на частоте 16Гц -резонансные свойства его позвоночника.

6. Разработана схема стенда для исследования динамических свойств человека-оператора при воздействии вибрации, включая имитатор сигнала по информационному каналу и имитатор воздействия вибровозбудителя.

7. Получены соотношения, позволяющие оценить погрешность работы оператора по информационному каналу и оценить также влияние вибрации на эффективность его работы. Показано, что вес ошибки системы при одинаковом уровне спектральной плотности воздействий по вибрации и по информационному каналу восприятия сведений выше из-за воздействия вибрации.

8. Исследована проблема оптимизации взаимосвязи человека и техники в человеко-машинных системах. На основе теории оптимальной

фильтрации решена задача определения желаемых динамических характеристик человека-оператора при управлении объектами различного типа.

9. Разработана методика, позволяющая оценивать степень обученности человека-оператора по вероятности успешной работы при выполнении заданий на тренажерах.

10. Создан исследовательский стенд, позволяющий осуществлять динамическую идентификацию и оценку характеристик человека-оператора по экспериментальным данным.

Список публикаций по теме диссертации

1. Пупков К.А., Устюжанин А.Д. Идентификация и оценка обученности в динамических человеко-машинных системах // Вестник Ml "ГУ им. Н.Э.Баумана. Приборостроение,- 2003.- №4,- С.95-103.

2. Устюжанин А.Д. Предельные значения динамических характеристик человека-оператора при управлении объектами различного типа // Вестник МГТУ имени Н.Э. Баумана. Приборостроение,- 2006.- №1,-С. 117-124.

3. Пупков К.А., Устюжанин А.Д., Шашурин В.Д. Оценка влияния вибрации на эффективность работы человека-оператора в человеко-машинных системах // Вестник МГТУ имени Н.Э.Баумана. Приборостроение,- 2006.- №2.- С. 3036.

4. Устюжанин А.Д. Коррекция частотных характеристик датчиков виброускорений // Автоматизация и современные технологии.- 2007.- №8.-С. 6-10.

5. Пупков К.А., Устюжанин А.Д. Предельные значения динамических характеристик человека-оператора при управлении объектами различного типа // Вестник РУДН. Инженерные исследования.- 2007.- №4,- С. 96-106.

6. Пупков К.А., Устюжанин А.Д. Оценка эффективности работы человека-оператора в человеко-машинных системах под воздействием вибрации // Вестник РУДН. Инженерные исследования.- 2009.- №4,- С. 23-28.

7. Pupkov К.А., Ustyuzhanin A.D. Learning and Adaptation in Man-Machine systems. Intelligent systems // Proceedings of the Fifth International Symposium.-M., 2002.- P. 106-111.

8. Устюжанин А.Д. Исследование динамики систем «человек-машина» при воздействии вибрации // Интеллектуальные системы: Труды 6 международного симпозиума,- М., 2004.- С. 125-127.

9. Пупков К.А., Устюжанин А.Д. Идентификация и оценка степени обученности в системах «человек-машина» // Актуальные проблемы развития отечественной космонавтики: Труды 28 Академических чтений по космонавтике.- М., 2004.- С. 380-381.

10.Limited parameters of dynamic characteristics of a human-operator when operating objects of different types [электронный ресурс] / A.D. Ustyuzhanin [и др.] // European Conference for Aerospace Sciences.- 2005,- EUCASS URL:

http://www.onera.fr/eucass/2005/flight-dynamics-GNC.html (дата обращения: 03.03.2010).

11. Устюжанин, А.Д. Предельные параметры динамических характеристик человека-оператора при управлении объектами различного типа // Материалы 29 академических чтений по космонавтике.- М., 2005.-С. 398-399.

12. Устюжанин, А.Д. Оценка влияния вибрации на динамические свойства человека-оператора и эффективность его деятельности в человеко-машинных системах // Материалы 30 академических чтений по космонавтике.- М„ 2006.- С. 373-374.

13. Пупков К.А., Устюжанин А.Д. Динамическая идентификация и оценивания состояния человека-оператора в системах управления космическими аппаратами // Материалы 32 академических чтений по космонавтике.- М., 2008.-С. 431.

14.Устюжанин, А.Д. Оценка влияния вибрации на и эффективность работы человека-оператора в человеко-машинных системах // Материалы

33 академических чтений по космонавтике,- М., 2009,- С. 468.

15.Пупков К.А., Устюжанин А.Д. Оптимизация взаимосвязи человека и техники при управлении космическими объектами // Материалы

34 академических чтений по космонавтике,- М., 2010,- С. 488-489.

16.Pupkov К.А., Ustyuzhanin A.D. Intelligent Systems II Proceedings of the International Scientific Conferences Intelligent Systems and Intelligent CAD's.-2005.-vol.3.- P. 90-95.

17.Пупков К.А., Устюжанин А.Д. О предельных значениях динамических характеристик человека-оператора при управлении объектами различного типа Н Седьмая международная конференция «Авиация и Космонавтика-2008».-М., 2008.- С. 127-128.

18.Пупков К.А., Устюжанин А.Д. Оптимизация взаимосвязи человека и техники при управлении космическими объектами Н Материалы 17 Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам.- СПб., 2010.- С. 238-240.

Подписано к печати 12.10.10. Заказ № 567 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

Введение.

Глава 1. Идентификация и моделирование систем человек-машина.

1.1. Задача идентификации и понятие «черного ящика».

1.2. Идентификация нелинейных систем методом Винера.

1.3. Оценка точности и сходимость ряда Винера.

1.4. Регуляризированные алгоритмы определения ядер Винера.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Моделирование и идентификация динамики человека-оператора в следящих системах «человек-машина».

2.1. Постановка задачи слежения. Типы дисплеев и органов управления.

2.2. Описание динамических свойств человека-оператора с помощью ряда из функционалов Винера.

2.3. Исследование влияния параметров передаточной функции человека-оператора на устойчивость и качество работы системы человек-машина.

2.4. Выводы к главе 2.

Глава 3. Воздействие вибрации, ее влияние на динамические свойства человека-оператора и эффективность его деятельности.

3.1. Способы измерения влияния вибрации на человека-оператора.

3.3. Выводы к главе 3.

Глава 4. Оптимизация взаимосвязи человека и техники в системах «человек-машина».

4.1. Синтез оптимальных систем «человек-машина».

4.2. Интегральное уравнение, определяющее условие минимума среднего значения квадрата ошибки и определение структуры и параметров передаточной функции человека-оператора.

4.3. Практическое решение задачи.

4.4. Выводы к главе 4.

Глава 5. Стенд для исследования и оценки динамических свойств человека-оператора, работающего в составе системы «человек-машина».

5.1. Структура и состав стенда.

5.2. Обучение и оценка обученности человека-оператора.

5.3. Выводы к главе 5.

Выводы к диссертации.

Сложность объектов управления непрерывно возрастает. Это связано с тем, что цели, которые ставятся перед этими объектами, являются более многогранными и должны достигаться при различных, порой экстремальных, воздействиях окружающей среды. События последних лет показывают, что для эффективного действия объектов, в управлении которых участвует человек, необходимо уделять особое внимание обучению и адаптации его к воздействию среды для достижения цели, поставленной перед системой человек-машина. Особенно важно уметь построить при обучении систему тестов, обладающих полнотой и найти объективные критерии оценки степени обученности оператора. Часть функции управления в современных системах берет на «себя» компьютер, однако это не исключает оператора из решения задачи управления, а освобождает его лишь для решения самых сложных проблем, неподдающихся автоматизации. Поэтому обучение и адаптация человека-оператора в человеко-машинных системах не упрощается, а наоборот становится более сложной.

В ранних работах [35], посвященных анализу функционирования человека в системах человек-машина, обращалось в основном внимание на изучение его динамических свойств, определению передаточной функции, то есть решению задачи идентификации при задании некоторого входного воздействия и получении реакции с дальнейшей совместной обработкой вход-выходного сигналов. Поскольку, как известно, человек как динамическая «система» является нелинейной, то рассмотренные ранее методы не являются адекватными, как по полноте текста, предъявляемому человеку, так и по способам построения его динамической модели. С современных позиций, учитывая достижения в области информационных технологий, нейрофизиологии и теории управления концептуальную модель системы человек-машина, на примере управления динамическим объектом, можно представить в виде, показанном на рис. В.1.

Аэродинамические и д возмущения , климатические возмущения I Г

Органы реализации Управление Объект управления Интерфейс (СОИ) управления

Концептуальная модель управления (человек-оператор) II

Опыт управления

УМ

Эталонная модель

Опыт создания модели движения

Реализация управления — Выработка управления

Блок управления

Опыт восприятия информации

2(1)

Имитатор рабочего места оператора

Возмущения

Прогноз м- Оценка состояния

Блок образа движения х(1)

Восприятие информации у Блок сбора информации

Имитатор вибрационных воздействий

Рис. В.1. Концептуальная модель системы человек-машина

На рисунке видно два крупных блока: 1 - модель объекта управления (летательный аппарат или автомобиль и т.п.), в состав которого входят органы реализации управления, собственно динамика объекта управления и система отображения информации (СОИ), дающая возможность человеку-оператору наблюдать как показания приборов, так и внешнюю обстановку движения объекта управления в окружающей среде. Предполагается, естественно, что у системы человек-машина имеется цель и поэтому деятельность человека в данной системе является целенаправленной. II — модель человека-оператора, состоящая в свою очередь из трех блоков: 1 - блок сбора информации, в котором должна быть отображена модель восприятия информации человеком, и, естественно, он должен быть обучен, то есть должен иметь навыки в сборе информации и ее понимании; 2 — блок образа движения, модель которого должна отображать оценку состояния и прогноз движения на основе этой оценки.

Понятно, что человек должен быть обучен, то есть он должен иметь навыки4 в формировании образа движения. Сформированный и прогнозированный образ движения»сопоставляется с эталонным образом и на основе этого сопоставления в блоке 3 — блоке управления, вырабатывается и исполняется управление. Конечно, как и в 1 и 2 блоках для выработки и исполнения управления, человек должен быть обучен, то есть должен иметь навыки в управлении. Если известны математические модели блоков I и II, то при учете воздействий можно определить точность, управления, необходимого для достижения цели. Однако, если модель технической части системы человек-машина в определенной мере может быть описана адекватно, то описание модели человека-оператора до сих пор является проблематичным.

Современные методы описания динамики человека-оператора базируются в основном на использовании передаточной функции, которая, по определению, характеризует линейную динамику, хотя на самом деле человек-оператор является сложным нелинейным звеном с переменной структурой и с развитыми свойствами адаптации к воздействиям и прогнозирования результатов действия. Поэтому адекватное описание поведения человека-оператора в динамике представляет собой трудную задачу. К настоящему времени предложены пути ее решения в работах П. Мак Руера и Е. Крендела [35] для случаев, когда оператор осуществляет операцию слежения. Эти случаи соответствуют работе пилота с полуавтоматическими системами директорного (командного) управления и режимом стабилизации при ручном управлении. Структурная схема замкнутой системы управления самолетом представлена на рис. В.2.

ОД х(0 к, (') У(У км

1Ф-*

Рис. В.2.

Структурная схема замкнутой системы управления g(t) - входной сигнал системы, - выходной сигнал, — возмущающее воздействие

На этом рисунке Жчо(я) — передаточная функция человека-оператора, которая имеет следующий вид: чо (7> + 1)(7^ + 1) ХО)

В.1) где тп - время запаздывания, характеризующее формирование ответной реакции пилота на входной сигнал х(г); Т1 иТ2 — постоянные времени, характеризующие инерционность действий; Т/ — постоянная времени, характеризующая прогностическую способность, и ее величина зависит от опыта, тренированности, степени утомленности и т.п. пилота.

Значения параметров, входящих в (В.1), лежат обычно в следующих пределах:* тп=0,1-Ю,25с, Т) — определяющая интегрирующие свойства человека по экспериментальным данным) может достигать значений 10-ь20с, а постоянная времени Т2=0,1+0,2с отражает запаздывание двигательной (мышечной) системы человека. Наконец, постоянная времени дифференцирования Т/<7 характеризует способность человека реагировать на скорость входного сигнала. Величина коэффициента передачи пилота зависит от градиента отклонения управляемой величины на отклонение органа управления. Ориентировочные значения Кп могут лежать в диапазоне 10-100.

Структурная схема линейной модели человека представлена на рис. В.З. х(1) ь е " 1 1 ■ £ + 1 уа) „

-"—► р —р /', ■ 5 + 1 Т2 ■ 5 + 1 -►

Рис. В.З.

Структурная схема линейной модели человека-оператора

Передаточная функция летательного аппарата ¡¥ЛА (б) может быть представлена хотя бы в двух видах

ЛА (я) = —— - модель наиболее легкого для управления объекта и (В.2)

1 51

ЛА (¿0 =-^т— модель наиболее сложного для управления (В.З) объекта, так как при малейшем ослаблении внимания человека система может стать неустойчивой, здесь величины ^ могут принять значения от 0,5 до 1,5.

Самым простым режимом работы пилота является такой, когда отсутствуют интегрирование сигнала и дифференцирование, то есть, когда в формуле (В.1) Г/=Г/=0. При этом пилот реализует передаточную функцию усилительного звена с запаздыванием, а именно:

К е'1""

Гчо (*) = -?—. (В.4)

Необходимо учитывать способность человека-оператора изменять свои характеристики при управлении объектами с изменяющимися динамическими свойствами. Экспериментально установлено [35], что оператор осуществляет управление таким образом, чтобы в районе частоты среза передаточная функция разомкнутой системы, равная

1) К,

7> +1X7^ + 1) ¿(я-!/,)

В.5) могла быть приближенно аппроксимирована выражением

IV (я) = К 1,

В.6) где К=Кп -КЛА « (5-4-9)-. с

Как видно по логарифмическим амплитудной и фазовой характеристикам, приведенным на рис. В.4.

201§К со [рад/с]

-180° со [рад/с]

Рис. В.4. ЛАХ разомкнутой системы при этом обеспечивается достаточный запас устойчивости по фазе (р3=60-80

Естественно, что пределы адаптации пилота к самолету ограничены из-за нелинейности его динамических свойств. Это объясняется, в том числе, невозможностью получения значений т/>7 в формуле (В.1). Иными словами, пилот может управлять самолетом с достаточно хорошими динамическими и статическими свойствами управляемости. Улучшение этих свойств обычно достигается при помощи специальных автоматических устройств. Линейная непрерывная модель не учитывает способности человека-оператора осуществить управление при временном исчезновении входного сигнала, а также дискретного характера управления, который проявляется при слежении за более высокочастотными сигналами. В действительности работа оператора больше соответствует функционированию импульсной (дискретной) цепи, чем непрерывной. Исследования показывают, что человек-оператор при выполнении задачи управления производит выборку визуальной входной информации с интервалом дискретности То=0,3-Ю,5с и на основании восстановленного непрерывного сигнала вырабатывает управляющее воздействие. Структурная схема дискретной модели имеет вид, показанный на рис. В.5.

Оператор здесь представлен в виде импульсного элемента (ключа), замыкающегося с периодом Т0, так называемой схемы восстановления (экстраполяции) сигнала, осуществляющей преобразование импульсного сигнала в непрерывный, и линейной непрерывной модели, воспроизводящей чистое запаздывание и инерционность оператора (В.5). вход

Рис. В.5.

Структурная схема дискретной модели человека-оператора

Передаточная функция восстановления сигнала имеет вид

1-е

В-7) если экстраполятор нулевого порядка или

Щя) =-—-, (В.8) если экстраполятор первого порядка.

Соответственно, дискретная передаточная функция всей модели оператора для (В.7) имеет вид

В. 9)

Для передаточной функции (В.4) получим

КЛг)кЛь^м^], (ВЛ0) г{г-е /Тг) где с1 = е 2 ; т = —; г = е *т° и Ъ — ъ — преобразование. Т

1о

В пределе с уменьшением интервала дискретности дискретная модель будет стремиться к непрерывной модели

При управлении наземным движущимся объектом (например, автомобилем), появляются две ошибки: ошибка положения и ошибка в направлении движения. Структурная схема системы управления представлена на рис. В.6.

Аэродинамические

Рис. В.6.

Структурная схема системы управления автомобилем

Оказывается, что при управлении автомобилем [33] с принятой его динамикой ¡Уа(з), передаточная функция человека-оператора (водителя) по положению имеет вид:

РУч.о.п/я) = 0,57 при частоте среза сос= 0,9рад/с, а передаточная функция по направлению <рс имеет вид:

УУЧ 0Н (5) = 0,56 ■ е~0,4; га при частоте среза сос= 23 рад/с.

На рис. В.6: 5- угол поворота руля, а у/с — угол, характеризующий направление движения.

В заключение следует отметить, что математическое описание динамических свойств человека-оператора базируется на использовании передаточной функции (В.1), описывающей человека-оператора как линейную динамическую систему. На основании экспериментальных данных определение требований к динамическим характеристикам человека-оператора определяется из соотношения

1¥(х) = ]¥чо(8)1¥лл(8)=1 (В. 11) на частоте среза юс.

Как уже отмечалось, человек-оператор представляет собой нелинейную с переменными параметрами динамическую «систему», поэтому его описание рассмотренными выше способами вряд ли является адекватным. Кроме того, полученное описание характеризует лишь восприятие, обработку информации и выработку управления по информационным каналам, показанным на рис. В.1. Представляет интерес изучение динамических свойств человека-оператора как нелинейной системы с переменными параметрами, работающей в условиях вибрации. Здесь уже имеется другой канал восприятия физических воздействий на человека-оператора, также показанный на структурной схеме концептуальной модели системы человек-машина (рис. В.1).

Задачей исследования человека-оператора является адекватное описание в форме математических моделей динамики его поведения. Математическую модель человека-оператора можно получить лишь на основе использования экспериментальных данных, представив его структурно в виде «черного ящика» и, соответственно, изучив реакцию реального человека на то или иное тестовое воздействие.

Простейшим способом описания динамики может быть изучение реакции оператора на единичное воздействие. Следует отметить [33], что реакция человека на такое воздействие является различной не только по параметрам реакции, но и по ее структуре для различных моделей.

Виды реакции могут быть следующими (рис. В.7):

Рис. В.7.

Виды реакций на единичное воздействие

Из рисунка видно, что реакция человека на единичное воздействие может быть различной, и ее характер можно объяснить, с одной стороны, различными динамическими свойствами человека, с другой — возможностью его приспособиться или предугадать детерминированный характер воздействия. Например, на рис. В.7<1 человек, ожидая воздействия, «стартовал» раньше, чем появилось воздействие, то есть возникло опережение (-г). На рис. В.7Ь реакция такова, что ее трудно, описать решением линейного дифференциального уравнения или передаточной функцией линейного звена. Лишь реакция на рис. В.7а может быть описана с помощью передаточной функции линейного колебательного звена с чистым- запаздыванием е"ят. Исследование реакции человека на периодический сигнал показывает, что при начальном отставании по фазе от входного сигнала он быстро приспосабливается и практически ликвидирует это отставание, конечно, если частота не слишком велика. Поэтому, учитывая также, что динамические характеристики человека нелинейные и являются переменными по времени, целесообразно применять методы, дающие возможность получить более адекватные описания. Кроме того, представляет значительный интерес исследование влияния вибрации на восприятие информации человеком, принятие решения, выработку и исполнение управления. В связи с этим целесообразно рассмотреть различные подходы (методы), позволяющие в достаточной мере адекватно описывать динамические характеристики человека-оператора.

Рассматривается метод экспериментального исследования линейной динамической системы с переменными во времени параметрами. Особое применение находит этот метод при исследовании передаточной функции человека-оператора, управляющего объектом в процессе его приспособления к изменениям условий окружающей среды. Одним из проявлений этих условий может быть достаточно длительное воздействие вибрации. Действительно, многочисленные производственные операции, так же как и различные средства передвижения (по земле, воде и воздуху) требуют непрерывной настройки или управления со стороны человека. Хотя в некоторых системах и лучше иметь полностью автоматическое управление, но возможно и такое положение; когда требуется присутствие человека-оператора, так как он может приспосабливать управление к изменению условий, в которых работает система. При разработке таких систем, управляемых человеком, необходимо охарактеризовать элемент человеческого участия в ней. каким-либо уравнением динамики, связывающим визуальные стимулы оператора (например, смещение выброса на экране дисплея с его реакцией; поворот штурвала на некоторый угол).

Удобно получить описание динамики, человека-оператора с помощью передаточной функции.

П. Мак Руэр и Е. Крэндэл [35] провели критический обзор литературы, посвященной экспериментальному исследованию передаточной функции оператора. Показано; что- для описания динамики человека-оператора часто используется «квазилинейная, модель с постоянными параметрами». Однако, такая модель неадекватно описывает действия оператора в случае, когда он изменяет свою передаточную функцию во времени, чтобы лучше управлять системой. Такая модель так же неадекватно описывает изменения в передаточной функции, вызванные «усталостью», свойственной' человеку-оператору, в том числе и при воздействии вибраций.

Теперь рассмотрим, каким образом можно определить передаточную функцию человека на основе экспериментальных данных, если его динамические свойства изменяются во времени. Исследование передаточных функций человека-оператора, как было показано выше, не может быть основано на опытах с отдельным синусоидальным колебанием или с другими входными сигналами, так как оператор быстро приспосабливается к детерминированному сигналу, предсказывая его дальнейшие значения. В [10] показано, что реакция человека на сумму синусоид существенно отличается от суперпозиции его реакций на отдельные синусоидальные сигналы.

Для исследований целесообразно использовать установку, блок-схема которой приведена на рис. В.8.

Внешнее изменение спектра эталонного входного сигнала

Внешнее изменение характера задачи "Сигна/гсмешениятзчка/лг~! згрхне стилшуафа

С(Л

1хран есиилло- Рычаг гдвта улргШнив . а©

ЗЕ

Ш>

Сигнал смещения линии на экране

Рис. В.8.

Блок-схема установки для исследования динамики человека- оператора

На блок-схеме экспериментальной установки показано (рис.В.8), что возмущающим воздействием (эталонным сигналом) может быть сумма синусоид с некратными частотами. Входным сигналом для* элемента системы (человека-оператора) служат в одном случае сигнал ошибки, преобразованный в горизонтальное смещение вертикальной линии (рис. В.9а) на экране осциллографа (дисплея) относительно точки на этом же экране.

Рис. В.9.

Задача компенсации (а) и задача преследования (б)

В другом, - эталонный входной сигнал и выходной сигнал системы, преобразованные в горизонтальное смещение точки х(г) и линии соответственно (случай преследования) является входным сигналом для человека-оператора (рис. В.96). Реакции оператора соответствовали ручному перемещению рычага управления 1 на рис. В.8, которое преобразуется в электрический сигнал. Моделирование процесса и все вычислительные операции должны проводиться с помощью вычислительной машины. Это первый способ.

Теперь рассмотрим определение частотных характеристик, изменяющихся во времени. Схема вычислительного устройства для определения таких характеристик имеет вид, показанный на рис. В. 10.

Шеридан Т.Б. и Феррелл В.Р. [33] предложили определять передаточную функцию человека-оператора на основе экспериментальных данных, если его динамические свойства изменяются во времени. Исследование передаточных функций человека-оператора не может быть основано на исследовании систем отдельными синусоидальными колебаниями или другими детерминированными входными сигналами, так как он быстро приспосабливается к таким сигналам, предсказывая их дальнейшие значения. В [33] показано, что реакция человека на сумму синусоид существенно отличается от суперпозиции его реакций на отдельные синусоидальные сигналы. На дисплее стенда отображалась сумма синусоид, которая предъявлялась человеку-оператору. Результат отслеживания оператором этого суммарного сигнала обрабатывался с помощью вычислительного устройства, структурная схема которого приведена на рис. В.10.

Рис. В. 10.

Блок-схема вычислительного устройства для непрерывного измерения действительной и мнимой частей передаточной функции

Для определения изменяющихся во времени передаточных функций неизвестной системы (понимается под системой человек, работающий на установке на некоторой частоте ¿у, выходной сигнал порознь умножается на синусоиды, синфазную с /-компонентом входного сигнала представляющего собой сумму синусоид (здесь взяты 5 синусоид) и на косинусоиду, сдвинутую по фазе на тс/2 относительно этого компонента. Для примера рассмотрим вычисление амплитуды и фазы на частоте С0[.

В этом случае произведения Л/^иУ/^ имеют вид: , „ 2зтал , ч 2зтсоЛ

ЗД) =-7-^ЯО =-—1-X

А А N 1 ^^ сое <рх (0 - ^^ СОБ [2© + <рх (01 + (В .12)

А а, 5 (Л

2 А

N д и\

- 2 соек®, +©,)/ + (0] •

1=2 А г,. 2соз(ол , ч 2созю/. . г,

СО =-Г^У(0 =-(ОяшК©,? + =

А А 1=1 г)]-уМ)81П[(й,1й,), (в.13) А А А лг 5 (Л

- <Р, (01 + + О, > + <Р, (/)]•

1=2 А

Чтобы определить амплитуду и фазу на всех частотах, присутствующих во входном сигнале (в нашем случае N=5), необходимо произвести 2И операций умножения.

Когда входной сигнал состоит из N синусоидальных компонентов, в выражениях (В. 12) и (В. 13) содержится N членов с суммарной частотой (сО]+со^) и N членов с частотами (согбо¡). Если параметры системы не изменяются со

ВЛ 0 временем, то член —-—в уравнении (В. 12) и соответственно, член А в (?)

-вт^) в уравнении (В. 13) постоянны. Если же происходит медленное по А отношению к изменению входного сигнала х(0 и выходного сигнала изменение параметров системы (динамических свойств человека-оператора), эти члены будут характеризоваться более низкой частотой, чем остальные 214-1 членов каждого уравнения. Обозначим их следующим образом: в, (О

В.14)

В, (О

Ли =—7—8111 (0 , А причем в приведенных формулах (В. 12) и (В. 13) 1=1.

Интересующая нас информация как раз и содержится в первых членах уравнений (В. 12) и (В. 13), так как является мгновенным значением действительной части вектора частотной характеристики на частоте ¿У;, 3т1 — мнимой частью. Естественно, непрерывное определение действительной и мнимой частей вектора эквивалентно непрерывному определению амплитуды и фазы на частоте со1.

Это обстоятельство иллюстрируется на рис. В.11. т в2{ о д созр2(0

СО8^(0=Кт1(г) т ып<р2(0

Определение коэффициента усиления-и фазового сдвига по А действительному и мнимому компонентам

Таким образом, при наличии тестового воздействия в виде суммы синусоид, используя схему синхронного детектирования, можно по экспериментальным данным построить вектор частотной характеристики

0'(о) = ^-(со5бЛ + ]8тбЛ) (В.15) А

Фактически, для описания динамики человека-оператора будем иметь следующий вектор частотной характеристики (рис. В. 12).

Рис. В.12.

Вектор частотной характеристики человека-оператора для различных моментов времени (мгновенных значений Хи . -Л)

Для того, чтобы получить вектор частотной характеристики, необходимо устранить влияние N-1 компонентов (обозначим их через Я51(!) и З^), соответственно в формулах (В. 12) и (В. 13). Для этого в блок-схеме (рис. В. 10) предусмотрен фильтр низких частот. Его параметры можно определить из следующих соображений. В связи с этим возвратимся к формулам (В. 12) и (В. 13) и построим график спектрального состава для /К\/, как это показано на рис. В. 13.

Рис. В.13.

Влияние фильтра на различные компоненты

Из рисунка видно, что действие составляющих выходного сигнала после первого фильтра на разностных, удвоенной частоте 2а>1 и суммарных частотах в значительной мере ослаблено. Так, для минимальной частоты входного сигнала со 1=0,1 Гц из условий компромисса выбран фильтр низкой частоты с передаточной функцией

Естественно, при других частотах составляющих входной сигнал, постоянные времени фильтра низких частот должны иметь иные значения.

Таким образом, при длительном наблюдении входного сигнала x(t) на экране и при непрерывном измерении Rt и Jt для различных частот cot можно получить передаточную функцию человека-оператора как функцию времени, а именно:

ВЛ6)

Передаточную функцию (В. 16) можно получить путем аппроксимации вектор-функции W(jco) для каждого текущего момента времени. Такой способ описания может быть удобен в случае длительного воздействия на человека-оператора вибрациии других внешних возмущений.

В отечественной практике исследование деятельности человека-оператора при управлении различного рода динамическими объектами получены также значительные результаты. Важно отметить работы JliH. Преснухина по описанию операторской деятельности при управлении артиллерийским зенитным огнем, работы С.М. Федорова по автоматизированному управлению самолетами и вертолетами [31], работы Г.Г. Берегового, А.И. Яковлева, В.М. Васильца, A.B. Тумакова, Э.Д. Суханова, посвященным моделированию систем полуавтоматического управления космического корабля [2]. Естественно, результаты исследований динамических свойств человека-оператора должны учитываться- при создании учебно-тренировочных комплексов, разработке методик обучения и оценке итогов« обучения. Здесь следует отметить работы A.B. Пономаренко, В.М. Васильца, В.В. Михайлова, А.И. Наумова, Ю.Г. Оболенского, О.Б. Пащенко, В.М. Холтобина, посвященных научно-методическому и инженерно-психологическому обоснованию структуры и обучающих характеристик интеллектуального интерактивного учебно-тренировочного» комплекса [11]. Представляет интерес структурная схема действия человека-оператора летчика) в задаче позиционирования рычага управления, приведенная в монографии Ю.Г. Оболенского [10].

Работа по исследованию динамики систем человек-машина проводились также В.И. Капалиным, С.Н. Музыкиным, Г.Г. Себряковым, A.C. Ющенко и другимиучеными.

Тем не менее, результаты исследований динамических свойств человека-оператора [33] и [35] показывают, что при больших уровнях возбуждения как по информационному каналу, так и по каналу восприятия вибраций проявляются его нелинейные свойства.

Поэтому в данной работе рассмотрим другой подход к определению динамических свойств человека-оператора, основанный на предположении, что он (как звено системы) является нелинейным.

Этот подход основан на применении в качестве математической модели динамики человека оператора ряда1 из ортогональных G-функционалов Винера [3], предложен и разработан К.А. Пупковым [36].

Отличием данного подхода от всех известных способов описания динамики систем «человек-машина» является то, что при экспериментальном исследовании человеку-оператору предъявляется тест-реализация белого гауссова процесса, который по определению обладает полнотой.

Совместная обработка входного сигнала и< сигнала реакции человека-оператора на основе многомерной взаимной корреляции позволяет определить ядра G-функционалов Винера, которые и представляют собой его динамические характеристики, причем ядро первого порядка описывает линейные динамический свойства человека-оператора как нелинейной системы.

В связи1 с этим целью данной работы является дальнейшая разработка метода исследования динамических свойств человека-оператора как нелинейной системы, оценка точности и сходимости ряда Винера и рассмотрение регуляризованных алгоритмов определения ядер рядов Винера.

На основе идентифицированных моделей человека-оператора провести исследования области устойчивости и дать оценку качества процессов управления динамическими объектами различного типа и определить предельные значения параметров динамической характеристики человека-оператора при управлении этими объектами, дать оценку влияния вибрации на эффективность управления объектом при одновременном получении человеком-оператором сведений по информационному каналу восприятия.

Кроме того в работе будет рассмотрена проблема обучения и адаптации человека-оператора в человеко-машинных системах и даны рекомендации по созданию динамического стенда, позволяющего оценивать динамические свойства человека-оператора.

5.3. Выводы к главе 5

1. Создан исследовательский стенд, позволяющий осуществить динамическую идентификацию и оценку характеристик человека-оператора по экспериментальным данным.

2. Разработана методика, позволяющая оценивать степень обученности человека-оператора по вероятности успешной работы при выполнении заданий на тренажерах.

1. Разработана концептуальная модель системы «человек-машина», описывающая восприятие человеком-оператором сведений по информационному каналу и учитывающую воздействие на него вибрации, что соответствует реальным условиям его работы.

2. Рассмотрен и исследован метод Винера непараметрической идентификации нелинейных динамических систем. Дана обобщенная теория построения ортогональных функционалов ряда Винера, исследована сходимость ряда, дана оценка точности. Получены регуляризованные алгоритмы определения ядер Винера.

3. Разработана методика определения ядер Винера для человека-оператора по экспериментальным данным. Показано, что ядра первого порядка определяют линейные динамические свойства человека-оператора.

4. Для класса объектов управления определены требования к параметрам передаточной функции человека-оператора, при которых обеспечивается устойчивость системы «человек-машина» и желаемое качество системы.

5. Впервые получена передаточная функция человека-оператора по вибрации, причем резонансный пик на частоте 4Гц характеризует динамику тела человека, как вязкоупругой механической системы, а на частоте 16Гц — резонансные свойства его позвоночника.

6. Разработана схема стенда для исследования динамических свойств человека-оператора при воздействии вибрации, включая имитатор сигнала по информационному каналу и имитатор воздействия вибровозбудителя.

7. Получены соотношения, позволяющие оценить погрешность работы оператора по информационному каналу и оценить также влияние вибрации на эффективность его работы. Показано, что вес ошибки системы при одинаковом уровне .спектральной плотности воздействий по вибрации и по информационному каналу восприятия сведений выше из-за воздействия вибрации.

8. Исследована проблема оптимизации взаимосвязи человека и техники в человеко-машинных системах. На основе теории оптимальной фильтрации решена задача определения желаемых динамических характеристик человека-оператора при управлении объектами различного типа.

9. Разработана методика, позволяющая оценивать степень обученности человека-оператора по вероятности успешной работы при выполнении заданий на тренажерах.

10. Создан исследовательский стенд, позволяющий осуществлять динамическую идентификацию и оценку характеристик человека-оператора по экспериментальным данным.

Полученные в работе результаты теоретических исследований динамики систем человек-машина, реализация стенда проведения динамической идентификации и оценки характеристик человека-оператора позволяют:

• Оценивать на основе экспериментальных данных динамические характеристики человека-оператора.

• Формировать требования к параметрам динамических характеристик человека-оператора, при которых обеспечивается устойчивая работа системы «человек-машина».

• Оценивать эффективность работы человека-оператора в системе «человек-машина» при воздействии вибрации и при одновременном получении информации по зрительному каналу.

• Синтезировать желаемые динамические характеристики человека-оператора, обеспечивающие минимум среднего квадрата ошибки, заданные коэффициенты ошибок воспроизведения регулярного сигнала и время переходного процесса в системе «человек-машина».

• Разработать техническое задание и исходные данные для проектирования опытного образца исследовательского стенда широкого применения, обеспечивающего получение динамических характеристик человека-оператора и моделирование процессов в системе «человек-машина».