Вспомогательное ускорение

/-/

Система управления с ускорением

т/тШ-tXfb • IN.А

^т

\?

В

Рис. 9.10. Схемы управления с вспомогательными средствами и ускорением. Л — система управления по положению (без вспомогательных средств); Б — система управления по ускорению (без ускорения); й — система управления с вспомогательным ускорением (слева) или с ускорением (справа).

способами суммирования сигналов. Эти два способа схематически представлены на рис. 9.10. При управлении с вспомогательными средствами компоненты более высокого порядка регулирования суммируются с перемещением системы, которая в ином случае управляется звеньями низкого порядка. Преимущество такого сложения — снижение сложности переработки информации оператором. Классический пример — следящие системы наведения орудий. Задача оператора состоит в отслеживании цели, движущейся приблизительно с постоянной скоростью. Складывая скоростную компоненту (первого порядка) с позиционной компонентой (нулевого порядка), следящая система «автоматически» поддерживает движение, подобное движению цели. 3 этом случае помощь оператору заключается в том, что он освобождается от вычисления интеграла позиционных изменений во времени.

Ручное управление и слежешге

Использовать такую помощь надо с осторожностью, так как наилучшей все же является деятельность в системах управления низкого порядка: добавление компонент более высоких порядков часто ухудшает деятельность или по крайней мере улучшает незначительно по сравнению с уровнем, достигнутым в системе низкого порядка.

Ускорение органа управления отличается от ускорения индикатора. При ускорении органа управления компоненты регулирования более низкого порядка складываются с действительным движением управляемой системы. При ускорении индикатора компоненты регулирования низкого порядка прибавляются только к тому сигналу, который отображается на экране для оператора. Таким образом, ускорение индикатора может вводить рассогласование между действительным состоянием системы и информацией, предъявляемой оператору. Это рассогласование иногда приводит к ухудшению деятельности. Ускорение же органа управления почти всегда дает преимущество. Примеры улучшения деятельности в результате ускорения органа управления или введения вспомогательных средств приводятся Бирмингемом и др. [5]. В их эксперименте оператор должен был удерживать движущуюся точку внутри квадратной цели. Для системы регулирования третьего порядка (дельта-ускорение) эта задача оказалась очень трудной; после добавления компоненты нулевого порядка (позиционирования) операторы могли решать задачу вполне успешно.

Влияние порядка управления в конкретных ситуациях.

Почти во всех случаях управление низкого порядка дает лучшие результаты, чем управление высокого порядка. Поэтому ниже будут рассмотрены те затруднения для деятельности оператора, которые возникают при управлении более высоких порядков, а также некоторые способы минимизации этих затруднений.

Ступенчатое слежение. В случае ступенчатого слежения система управления нулевого порядка имеет наилучшую совместимость стимула и ответа и поэтому дает наилучшие показатели. Например, сравнивая управление нулевого и первого порядков, Гиббз [13] установил, что время движения к цели равно 0,55 с для позиционного регулирования и 0,9 с для управления по скорости. В работе Хаммертона [16] это время было равно 1,2 с для управления по скорости и 8,5 с для управления второго порядка (по ускорению). Добавление позиционной компоненты в систему управления по скорости может существенно уменьшить время движения к цели. Однако конечный участок перемещения (удерживания курсора на целевой

474 Глава 9

позиции) все еще остается трудным из-за присутствия скоростной компоненты во время совмещения курсора с целью.

Вообще при добавлении позиционной компоненты в систему управления по скорости ступенчатое слежение улучшается, и степень выигрыша возрастает с увеличением амплитуды позиционной компоненты по сравнению со скоростной компонентой.

Имеется по крайней мере одна ситуация, в которой ускорение системы управления по скорости может привести к улучшению деятельности Это многоступенчатое слежение, при котором цель чер^ р&'~илг интерзалы времени перескакивает на одно и то же расстояние. Такая ситуация встречается при отслеживании оператором цели, движущейся с постоянной скоростью, на экране ДИП: с каждым оборотом радиолокационной антенны цель скачком переходит на новую позицию.

Если скорость, сообщаемая курсору, соответствует ступенчатым сдвигам цели, то он находится около того места, на котором вспыхивает изображение цели после каждого оборота антенны. Небольшие позиционные коррекции делаются быстро, поскольку позиционная компонента имеется в системе регулирования с ускорением.

Отслеживание линейной скорости. При отслеживании одиночных целей не было получено эмпирического подтверждения преимущества систем регулирования первого порядка (по скорости) по сравнению с системами нулевого порядка (по положению). Разумно, однако, ожидать, что это могло бы иметь место в тех случаях, когда скорость цели на большей части временных интервалов остается постоянной. При таком условии оператор может просто удерживать орган управления в фиксированной позиции, делая коррекции, когда необходимо.

Вопреки ожиданиям потенциальное преимущество было продемонстрировано при отслеживании не одиночных, а нескольких целей, каждая из которых движется приблизительно с постоянной скоростью. В том случае, когда оператор для осуществления коррекции переключает внимание с одной цели на другую, курсор (имеющий скоростную компоненту) продолжает приблизительно следовать за целью, не находящейся в поле зрения.

Синусоидальное слежение. Преимущество регулирования нулевого порядка сохраняется при отслеживании синусоидальных колебаний. В случае преследующего слежения даже регулирование первого порядка уменьшает совместимость стимула и ответа¹'. В системе нулевого порядка оператор всегда перемещает джойстик (к примеру) по направлению к цели, чтобы

'> Этот недостаток минимизируется при использовании компенсаторных индикаторов.

Ручное управление и слежение

уменьшить ошибку слежения. Регулирование первого порядка вводит задержку по фазе на 90°, поэтому оператор должен перемещать джойстик к цели во время 1/4 периода и от цели в следующую четверть периода. Поскольку система первого порядка вводит задержку по фазе на 90°, оператор должен компенсировать ее, пытаясь реагировать с упреждением на текущее положение цели. Так^я реакция становится особенно затруднительной при увеличении частоты на входе или суммировании все большего и большего количества синусоид, что усложняет траекторию движения.

Еще хуже обстоит дело с системами регулирования второго порядка (по ускорению), в которых задержка по фазе составляет 180°. Этим создается ситуация крайней несовместимости, когда джойстик всегда нужно перемещать по направлению от текущего положения цели. Необходимость предвидеть по крайней мере на 1/2 периода вперед значительно затрудняет слежение второго порядка за сложными или высокочастотными синусоидальными сигналами.

В случае компенсаторных дисплеев относительный недостаток систем регулирования первого порядка ослабляется благодаря увеличению совместимости стимула и ответа: в системе регулирования нулевого порядка с компенсаторной индикацией оператор всегда должен перемещать джойстик в направлении от текущего положения цели, чтобы возвратить ее в центр экрана. При регулировании по скорости оператор перемещает джойстик по направлению к цели, а затем возвращает орган управления в центральное положение, когда цель достигает центра экрана.

Хотя в системах регулирования по скорости компенсаторная индикация улучшает деятельность по сравнению с преследующей, качество слежения остается все же худшим по сравнению с тем, которое достигается в системах регулирования нулевого порядка. Более того, относительное улучшение деятельности в системе первого порядка, связанное с компенсаторной индикацией, наступает, вероятно, только при низкочастотных высокопредсказуемых сигналах, потому что оператор должен вводить учреждение (на 90°), чтобы компенсировать фазовую задержку регулирования по скорости. Такое действие становится очень трудным, когда входной сигнал имеет сложный характер и время, необходимое для вычисления предсказаний, мало (т. е. входные сигналы содержат высокие частоты).

Добавление компонент высокого порядка регулирования. В некоторых случаях может оказаться полезным добавление компонент высокого порядка, таких, как ускорение. Например, чтобы догнать самолет противника, истребитель должен увеличить скорость полет? Поэтому добавление ускоряющей ком-