Глава 9. на систему (т. е. снижение усиления органа управления), оператор должен вначале совершить большее перемещение по сравнению с нормой

на систему (т. е. снижение усиления органа управления), оператор должен вначале совершить большее перемещение по сравнению с нормой, чтобы быстро захватить цель. В системе ступенчатого слежения с нулевым порядком и экспоненциальной задержкой оператор должен переместить рукоятку органа управления дальше того положения, которое соответствует требуемой позиции курсора. Затем, когда курсор находится вблизи цели, оператор должен переместить рукоятку в обратном направлении. Оператор останавливает движение джойстика в положении, которое соответствует положению цели. Эти действия похожи на те, которые совершаются в системе регулирования по скорости, за исключением того, что в системе первого порядка оператор должен возвращать джойстик в центральное положение. Так же, как и в системе регулирования по скорости, низкая совместимость между стимулом и ответом в системе позиционного регулирования с задержкой ухудшает деятельность оператора.

Есть, однако, один случай, когда экспоненциальные задержки оказываются полезными. Деятельность оператора в системе регулирования второго порядка (по ускорению) можно улучшить путем введения экспоненциальной задержки. При этом система второго порядка ведет себя подобно системе первого порядка (регулирование по скорости). О выигрыше можно судить по данным Тикнера и Поултона [39], которые показали, что время движения к цели уменьшается с 11,9 с в системе регулирования по ускорению до 5,2 с в системе регулирования «по скорости с задержкой», имеющей постоянную времени 0,5 с. Даже при постоянной времени 4 с введение экспоненциальной задержки в систему регулирования по ускорению привело к существенному уменьшению времени движения к цели (до 7,9 с).

Органы управления в многомерном слежении. Наряду с тем, что отображение информации составляет для многомерного слежения специальную проблему, здесь возникает ряд эффектов, вносимых органами управления, к которым, в частности, относятся взаимодействие и разные порядки регулирования. Взаимодействие означает, что управляющее движение по одной координате (скажем, по горизонтали) вызывает некоторое изменение по другой координате (соответственно по вертикали). Таким образом, чтобы переместить курсор по горизонтали, оператор должен перемещать рукоятку джойстика и по вертикали. Симметричное взаимодействие подобно вращению всего индикатора вокруг центра: оператор должен вносить во все движения джойстика (к примеру) смещение на один и тот же угол (скажем, на 10°).

Ручное управление н слежение

Симметричное взаимодействие снижает совместимость между стимулом и ответом. Однако Бернотат [4] сообщил о незначительном ухудшении качества слежения при взаимовлияниях вплоть до 45°; при 90° наступало значительное ухудшение деятельности.

Асимметричные взаимодействия имеют место, когда управляющее движение по одной из двух координат влияет на другое движение, но управляющее движение по другой координате не оказывает соответствующего воздействия. Операторы могут хорошо компенсировать постоянное асимметричное взаимодействие так же, как и постоянное симметричное взаимодействие.

При переменном взаимодействии слежение становится намного труднее. Несмотря на способность операторов компенсировать постоянное симметричное взаимодействие величиной 45°, такое же по величине переменное взаимодействие приводит к увеличению средней абсолютной ошибки в три раза (по сравнению с независимым регулированием) даже после шестидневной тренировки [26]. Переменное взаимодействие величиной всего 23° почти удваивает среднюю абсолютную ошибку. По-видимому, операторы не могут научиться компенсировать переменное взаимодействие.

В некоторых случаях движениям по разным координатам могут соответствовать разные порядки регулирования. Обычно это ухудшает деятельность оператора. С одной стороны, перенос тренировки при переходе с одного порядка регулирования на другой обычно асимметричен и часто дает отрицательный результат (потому что движения и фазовые задержки, характерные для одного порядка регулирования, обычно не соответствуют другому порядку). С другой стороны, распределение внимания оператора между двумя системами управления затрудняет формирование эффективной внутренней модели одной из систем. В случае двумерного слежения динамика управления должна быть одинаковой для движений по каждой координате.

9.6.3. Влияние нелинейностей системы управления

Все рассмотренные выше преобразования управляющих воздействий были линейными, т. е. состояли из операций суммирования, задержек или умножения. При таких преобразованиях ^паттерн» ответов оператора оставался тем же самым. В случае нелинейных преобразований паттерн ответов оператора меняется. Связь между уровнем сигнала на выходе органа управления и его влиянием на систему меняется в зависимости

480 Глава 9

от величины управляющего сигнала. Например, нелинейность усиления органа управления выражается в том, что усиление невелико при малом выходном сигнале (т. е. когда оператор делает небольшие перемещения) и велико при большом выходном сигнале. Пример такой нелинейности — мертвая зона: чтобы оказать какое-либо влияние на систему, оператор дол-Жен сделать перемещение, которое превышает некоторую пороговую величину.

Другой известный пример нелинейности — ступенчатая функция: 1) когда величина (непрерывного) ответа оператора Достигает некоторого критического уровня, его воздействие на систему скачком меняется от одного значения к другому; 2) если через дискретные интервалы времени производится считывание ответов оператора, воздействие на систему меняется скачком при каждом новом считывании. Наконец, перед оператором может находиться устройство ввода ответов (например, набор кнопок), которое позволяет делать только ряд дискретных движений, вызывающих скачкообразное (т. е. нелинейное) изменение воздействлй на систему.

Вообще нелинейности ухудшают деятельность оператора, особенно когда сочетаются с низким порядком регулирования. При высоких порядках регулирования нелинейности могут оказаться выгодными или могут направлять оператора на формирование эффективных стратегий регулирования.

Нелинейности органа управления следует отличать от нели-нейностей индикации. Нелинейность органа управления локализуется между ответами оператора и их воздействиями на управляемую систему. Даже при наличии нелинейности органа управления оператор может продолжать видеть точное отображение текущего состояния системы. Таким образом, оператор всегда имеет достоверное отображение ошибки, вносимой его действиями.

Нелинейность индикации локализуется между управляемой системой и ее отображением на индикаторе. Например, перемещение системы на 1 м может быть представлено на индикаторе в виде перемещения на 2 см вблизи центра экрана (когда управляемая система находится почти в заданном положении) либо в виде перемещения на 1 см вблизи краев экрана. Это может приводить к неоднозначному информированию оператора о действительной величине допущенной им ошибки. Хотя Нелинейности органа управления и индикации обычно ухудшают деятельность, с особой осторожностью следует относиться к нелинейностям индикации. Для систем с высоким порядком регулирования Нелинейность органа управления иногда может оказаться полезной, тогда как нелинейность индикации — нет.

Ручное управление н слежеиие

Непрерывные нелинейности. На рис. 9.12 показаны три общих типа нелинейностей в усилении органа управления, которые интерпретируются следующим образом:

Тип 1. Усиление органа управления ниже для небольших ответов, так что для тонких коррекций управляемой системы оператор должен делать пропорционально большие управляющие движения.

Тип 2. Усиление органа управления выше для небольших ответов, чем для больших. Нелинейности этого типа обычно

Рис. 9.12. Три типа нелинейностей системы управления.

встречаются при управлении машинами. Пример — педаль газа в автомобиле: когда орган управления находится вблизи своего крайнего положения, машина не может развить много дополнительной мощности, поэтому эффект управляющего движения небольшой.

Тип 3. Усиление органа управления наибольшее для тех ответов, которые находятся в середине диапазона реагирования.

Ворц и др. [42] отмечают, что влияния этих нелинейностей зависят от задачи. Нелинейность типа 2 дает наилучшие результаты при отслеживании линейных скоростей на нескольких участках с разной, но постоянной скоростью; нелинейность типа 1 оказывается наихудшей. Но для многоступенчатого слежения нелинейность типа 3 была наилучшей, а нелинейность типа 1 снова оказалась наихудшей.

Рулевое управление в автомобилях имеет нелинейности. Это система регулирования второго порядка (регулирование по ускорению), в которой положение рулевого колеса определяет угловое ускорение.

482 Глава 9

При введении нелинейности типа 1 небольшие вращения руля незначительно влияют на угловое ускорение, когда автомобиль движется по прямой: если очень резко повернуть руль, усиление системы управления увеличится. Вероятно, такая нелинейность не улучшает деятельности водителя во время обычной езды по дороге с приблизительно постоянной скоростью. Однако она полезна в качественно иных ситуациях рулевого управления: высокое усиление для больших поворотов руля, по-видимому, помогает водителю совершать очень резкие маневры (например, парковку и поворот автомобиля на 90°) на очень низких скоростях. Вероятно, эта нелинейность не. помогает водителю вести автомобиль по прямой на закругляющейся дороге и может ухудшить деятельность, когда водитель теряет контроль и совершает большие управляющие перемещения, вызывающие неожиданно большие реакции системы.

Ступенчатые нелинейности. Ступенчатые нелинейности могут возникать при временной или амплитудной выборке ответов оператора. В случае временной выборки величина ответа оператора считывается через равные или неравные интервалы времени, и результат считывания является входным сигналом для системы до тех пор, пока не произойдет очередное считывание.. С увеличением частоты выборки отрицательное влияние нелинейности этого типа уменьшается. Если частота выборки меньше удвоенной наивысшей частоты в спектре ответов оператора, то может наблюдаться ухудшение его деятельности.

Это ухудшение возникает как потому, что желаемые ответы оператора не всегда доходят.до управляемой системы, так и потому, что к спектру ответов оператора прибавляются новые «ложные» частоты. Ложные частоты генерируются в тех случаях, когда в сигнале присутствуют составляющие с периодами вдвое короче интервала выборки. Они могут быть отфильтрованы, но тогда возникает новый источник ухудшения деятельности оператора, связанный с задержками.

При амплитудной выборке оператору поступает информация только об ограниченном числе позиций органа управления (т. е. о дискретном наборе ответов). Пусть, например, оператор располагает только одним переключателем, которым он может включить или выключить устройство. Управляя рабочим циклом устройства с помощью этого двоичного регулятора, можно изменять ускорение и скорость. В системах с низким порядком регулирования амплитудная выборка ухудшает деятельность: либо точность позиционных движений оператора ограничена количеством сделанных ответов, либо количество отдельных ответов, необходимых для достижения точного позиционирования, становится очень большим,

Ручное управление и слежеине

В системах с высокими порядками регулирования амплитудная выборка может оказаться более приемлемой или по крайней мере не привести к ухудшениям. Поскольку каждое повышение порядка регулирования предполагает интегрирование по времени, его эффект состоит в «сглаживании» скачков между считываемыми во время выборки значениями управляющих сигналов. В системах первого порядка такое сглаживание недостаточно для предотвращения ухудшения деятельности [3]. В системах же второго порядка (регулирование по ускорению) управление путем включения-выключения является эффективной стратегией.

С помощью такого способа оператор заставляет управляемый курсор двигаться к цели на максимальной скорости. Когда курсор находится на половине пути, оператор включает максимальное ускорение в обратном направлении (т. е. замедляет движение). Имея только две кнопки (по одной для максимального ускорения в каждом направлении), оператор контролирует лишь время ответа, а не его величину, что снижает нагрузку оператора, связанную с переработкой информации. Уменьшается также задержка при изменении знака максимального ускорения по сравнению с непрерывным регулированием, когда задержка связана с перемещением органа управления из одного положения в другое.

Общая рекомендация сводится к тому, что выборочный контроль не следует применять в системах регулирования ниже второго порядка.

9.7. Выводы

Рассмотрены некоторые важные аспекты ручного управления и слежения. Перечислим наиболее важные из них:

1. Ограничения в деятельности оператора возникают из-за его невысокой пропускной способности при переработке информации, присущих ему задержек, таких, как ПРФ, и структурных, биомеханических характеристик. Эффективная полоса пропускания оператора равна около 1 Гц.

2. Квалифицированное управление и слежение основано на эффективных моделях предвидения динамики целевой и управляемой систем.

3. Характеристики задачи, которые помогают оператору предвосхищать будущее и этим минимизировать присущие ему ограничения, улучшают деятельность.

4. Характеристики задачи, которые способствуют быстрому формированию точных внутренних моделей с предвидением, улучшают деятельность.

5. Обычно к характеристикам задачи, улучшающим деятельность оператора, относятся преследующее слежение, пред-

484 Глава 9

варяющий обзор траектории, низкий порядок регулирования, иезашумленная индикация, низкие частоты входных сигналов, непрерывное, а не дискретное отображение информации на индикаторе, минимальные задержки, индикаторы с точным отображением текущих состояний (т. е. нужно с осторожностью применять индикаторы с ускорением, фильтрацию индикации и т. п.), индикаторы с предсказанием ситуации, органы управления (а не индикаторы) с ускорением.

Литература

I Adams J A. (1961) Human tracking behavior. Psychological Bulletin, 58, 55-79.

2. Craik K. J. W. (1947) Theory of the human operator in control systems. 1 The operator as an engineering system. British Journal of Psychology, 38, 56—61.

3. Bennet C. A. (1956) Sampled-data tracking: Sampling of the operator's output. Journal of Experimental Psychology. 51, 429—438.

4. Bernotat R. K- (1970) Rotation of visual reference systems and its influence on control quality. IEEE Transactions on Man-Machine Systems, MMS-II, 129__13]

5. Birmingham H. P., Kahn A., Taylor F. V. (1954) A Demonstration of the effects of quickening in multiple-coordinate control tasks (Report 4333). Washington, DC: U.S. Naval Research Laboratory.

6. Brebner J. M. Т., Welford A. T. (1980) Introduction: A historical background sketch. In A. T. Welford (ed.), Reaction times. London: Academic.

7. Craik K. J. W., Vince M. A. (1963) Psychological and physiological aspects of control mechanisms. Ergonomics, 6, 419—440.

8. Crossman E. R. F. W., Seymour W. D. (1957) The nature and acquisition of industrial skills. London: Department of Scientific and Industrial Research.

9. Elkind J. I. (1956) Characteristics of simple. manuM control systems (Techni cal Report 111). Lexington, MA: MIT Lincoln Laboratory.

10. Ellis W. H. В., Burrows A., Jackson K. F. (1953) Presentation of air speed shile deck-landing: Comparison of visual and auditory methods (UK RAF Flying Personnel Research Committee Report 841). London: Air Ministry.

11. Ellson D. G., Gray F. E. (1948) Frequency responses of human operators following a sine wave input (Memorandum Repoit MCREXD-694-2N). Wright-Patterson Air Force Base, OH: USAF Air Material Command.

12. Fitts P. M. (1954) The information capacity of the human motor system in controlling the amplitude of movement. Journal of Experimental Psychology, 47, 381—391.

13. Gibbs С. В. (1962) Controller design: Interactions of controlling limbs, time-lags and gain in positional and velocity systems. Ergonomics, 5, 385—402.

14. Gibbs С. В.' (1965) Probability learning in step-input tracking. British Jour-nal of Psychology, 56. 233—242.

15. Halliday A. M., Kerr M._T Elithorne A. (1960) Grouping of stimuli and apparent exceptions to the psychological refractory period. Quarterly Journal of Experimental Psychology, 12, 72—89.

16. Hammerton M. (1963) An investigation into the optimal gain of a velocity control system Ergonomics, 66, 450—543.

17. Hammerton M., Tickner A. H. (1970) Structured and blank backgrounds in a pursuit tracking task. Ergonomics, 13, 719—722.

18. Hammerton M., tickner A. H. (1970) The effect of temporary obscuration of the target on a pursuit tracking task. Ergonomics. 13. 723—725.