Способ оценки точности управления технологическим оборудованием с механическим и гидравлическим приводом

Изобретение относится к области моделирующих устройств, которые следует рассматривать как учебные или тренировочные устройства, вызывающие у обучающихся ощущения, идентичные ощущениям, возникающим при обращении с реальными устройствами, отличающиеся обеспечением записи или измерения характеристик обучаемого.

В настоящее время известны способы проведения психофизиологических исследований, направленные на измерение скорости и точности зрительно-моторного слежения человеком, основанные на демонстрации испытуемому динамических виртуальных мишеней и измерении времени задержки и упреждения реакции в виде нажатий испытуемым клавиш манипулятора при совпадении динамической мишени и цели. Однако, известные способы в силу своих особенностей не позволяют сформировать оценку развития профессионально-важных качеств операторов сложных технологических объектов. В частности, все известные способы в качестве устройства для регистрации реакции человека-оператора используют вычислительные машины с устройствами ввода в виде кнопок манипуляторов. При этом на практике при осуществлении зрительно-моторного слежения и управления технологическим оборудованием применяются более сложные устройства взаимодействия с человеком, такие как джойстики. При этом управление движением узлов технологического оборудования осуществляется не по релейному принципу (включено – выключено), а пропорционально величине отклонения рукояти джойстика от своего свободного положения. Это обусловлено тем, что в качестве движителя технологического оборудования в большинстве случаев используются гидравлические приводы с дросселирующими клапанами, причем отклонение рукояти джойстика от своего нормального положения вызывает изменение расхода гидравлической жидкости через эти клапаны. Кроме того, в силу инерционности процессов, происходящих в гидравлических и механических приводах технологического оборудования возникают задержки разгона и торможения технологического оборудования, а значит, психомоторная реакция управления реальным технологическим оборудованием является более сложной, для измерения которой необходимо моделировать нелинейности реального технологического оборудования.

Так, в частности, нагруженный гидромеханический привод таких устройств, как рукояти промышленных роботов, лесохозяйственной и строительной техники описывается математической моделью апериодического процесса [1], а их передаточная функция выглядит следующим образом:

,

где T – постоянная времени гидромеханического привода, описывающая инерционность переходного процесса, протекающего при управлении приводом; s – преобразование Лапласа. Апериодический характер процессов управления гидромеханическим приводом обусловлен конструктивным исполнением золотниковых гидрораспределительных клапанов, подающих гидравлическую жидкость в рабочий объем гидропривода, значение постоянной времени T при этом определяется по формуле:

где – площадь проходного сечения клапана; – коэффициент расхода клапана; – ширина окон, открываемых при перемещении регулирующего органа клапана; – разность давлений в подающем и принимающем трубопроводе; – плотность жидкости. При этом следует заметить, что физически невозможно реализовать безынерционный клапан, т.е. величина инерционности хоть и зависит от конструкции системы управления, однако присутствует во всех системах, оснащенных гидромеханическим приводом. При этом во всех известных способах проведения психофизиологических исследований принято допущение о безынерционнсти управления подвижными объектами. С точки зрения медицинской практики такое допущение оправдано, поскольку позволяет оценивать с высокой точностью динамику процессов возбуждения и торможения в нервной системе испытуемого. Однако, с точки зрения инженерной психологии и теории человеко-машинных систем, такое допущение значительно искажает результаты измерения эффективности человеко-машинного взаимодействия в условиях управления технологическим оборудованием с механическим и гидравлическим приводом. Этот факт обуславливает значительную разницу между прогнозным значением развития профессионально-важных качеств операторов, полученным путем измерения известными способами и реальным значением, полученным в ходе работы на реальном технологическом оборудовании.

Известен способ отбора для занятий единоборствами [2], при котором испытуемому предъявляют на экране видеомонитора окружность, на которой помещена метка и точечный объект, движущийся по окружности. Испытуемый, наблюдая за движением точечного объекта, в момент предполагаемого совпадения его положения с меткой нажатием кнопки «Стоп» останавливает движение точечного объекта по окружности. Затем вычисляют ошибку несовпадения точечного объекта и метки - время ошибки запаздывания с положительным знаком или упреждения с отрицательным знаком, и через заданное время возобновляют движение точечного объекта по окружности. Испытуемый выполняет описанную процедуру заданное число раз, после чего строят вариационный ряд ошибок несовпадения точечного объекта и метки, вычисляют вариационный размах ряда и отмечают на числовой оси отрезок, ограниченный наибольшим и наименьшим членами вариационного ряда. Способ позволяет оценить быстроту и точность двигательных действий испытуемого, однако, не дает представления о способности человека воспринимать и прогнозировать движения объекта наблюдения с ускорением или в условиях задержек реального технологического оборудования.

Известен способ определения времени реакции человека на движущийся по направлению от него объект [3], при котором испытуемому предъявляют на экране видеомонитора замкнутый контур, являющийся ограничивающим, внутри которого расположен тестовый объект аналогичной конфигурации. Тестовый объект увеличивают соответственно заданной скорости, имитируя движение его навстречу испытуемому. В момент предполагаемого совпадения размеров ограничивающего замкнутого контура и тестового объекта испытуемый нажатием кнопки «Стоп» останавливает увеличение диаметра тестового объекта. Затем вычисляют ошибку несовпадения диаметров тестового объекта и ограничивающего контура - время ошибки запаздывания с положительным знаком или упреждения - с отрицательным знаком и через заданное время вновь предъявляют испытуемому замкнутый контур, внутри которого расположен тестовый объект начальных размеров и конфигурации. Затем вычисляют время реакции T_p человека на движущийся объект как среднеарифметическое значение по формуле:

,

где t_i - i-я ошибка запаздывания с положительным знаком или упреждения с отрицательным, знаком, мс; n - количество испытаний, при этом замкнутый контур одновременно с увеличением тестового объекта уменьшают в диаметре с заданной скоростью, затем уменьшение диаметра замкнутого контура останавливают нажатием кнопки «Стоп», а затем через заданное время предъявляют испытуемому замкнутый контур начального размера.

Известен способ оценки зрительно-моторной реакции на движение объекта в пространстве [4], при котором испытуемый визуально наблюдает движущийся объект и реагирует на прохождение объекта через «финишный створ» нажатием на кнопку, причем в качестве объекта наблюдения используют движущийся по желобу металлический шарик, проходящий последовательно через два индукционных датчика, первый - запускающий электросекундомер и второй, расположенный на уровне «финишного створа», останавливающий секундомер в момент его прохождения, устанавливая стандартное время прохождения шариком расстояния между двумя датчиками, затем второй индукционный датчик отключают, а испытуемый останавливает секундомер в момент визуального прохождения шариком «финишного створа», нажимая на кнопку.

Известен способ определения способности к предвидению хода событий [5], при котором путем испытуемому на экране видеомонитора предъявляют окружность, на которой помещена метка и точечный объект. Точечный объект движется с заданной скоростью по окружности, за заданное время до достижения метки исчезает с экрана видеомонитора, при этом движение точечного объекта по окружности продолжается. В момент предполагаемого совпадения положения движущегося точечного объекта с метким испытуемым нажатием кнопки «Стоп» останавливает движение точечного объекта по окружности и точечный объект снова появляется на экране видеомонитора, в том месте, где было остановлено его движение. Затем вычисляют ошибку несовпадения точечного объекта и метки - время ошибки запаздывания с положительным знаком или упреждения с отрицательным знаком, и через заданное время возобновляют движение точечного объекта по окружности. Описанную процедуру повторяют заданное число раз, после чего вычисляют способность к прогнозированию положения движущегося объекта относительно метки Т_прог как среднеарифметическое значение по формуле:

,

где t_i - i-я ошибка запаздывания с положительным знаком или упреждения с отрицательным знаком, мс; n - число остановок точечного объекта в области положения метки.

Недостатком известных способов являются их низкая достоверность, поскольку данные способы используют единую идеальную модель человеко-машинного взаимодействия, исключающую из рассмотрения инерционность машины и устройств человеко-машинного взаимодействия. Данные способы в силу названных недостатков не позволяют обеспечить требуемую достоверность оценки точности управления технологическим оборудованием с механическим и гидравлическим приводом, например, манипуляторов лесозаготовительной техники.

Наиболее близким по технической сущности к предъявляемому способу является способ тестирования реакции человека на движущийся объект [6], при котором испытуемому предъявляют на экране видеомонитора прямую горизонтальную линию с меткой, расположенной в конце линии, и движущийся по линии точечный объект, который проходит путь от начала линии до метки за 1 с. В момент предполагаемого совпадения положения точечного объекта с меткой испытуемый нажатием кнопки «Стоп» останавливает движение точечного объекта. В момент нажатия кнопки «Стоп» вычисляют ошибку несовпадения положений точечного объекта и метки - время ошибки запаздывания, взятое с положительным знаком, или время ошибки упреждения, взятое с отрицательным знаком, и через 1 с возобновляют движение точечного объекта по линии. Описанную процедуру повторяют заданное число раз, после чего вычисляют среднеарифметическое значение ошибок запаздывания и среднеарифметическое значение ошибок упреждения. По сопоставлению рассчитанных среднеарифметических значений судят о взаимоотношении процессов возбуждения и торможения в коре головного мозга.

Недостатком данного способа также является невозможность оценки скорости и точности реализации моторных программ испытуемым в условиях инерционности технологического оборудования, то есть его низкая достоверность.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении достоверности известного способа за счет измерения точности реализации программ моторного слежения человеком в условиях задержек и пропорционального управления скоростью движения объекта наблюдения отклонением рукояти манипулятора, что позволяет оценивать точность управления испытуемым реальным технологическим оборудованием с механическим и гидравлическим приводом.

Указанный технический результат достигается тем, что испытуемому на экране видеомонитора предъявляют объект стимул в виде синего круга заданного диаметра с отмеченным центром, а также управляемый объект в виде красного круга с отмеченным центром того же диаметра, что и стимул,

причем новым является то, что испытуемый с помощью манипулятора типа «джойстик» с рукоятью в начальном центральном положении, находящемся в руке испытуемого управляет движением управляемого объекта по вертикальной траектории с учетом постоянной времени отклика манипулятора Т, вычисляемого по формуле:

где T – коэффициент задержки отклика манипулятора в диапазоне от 0,1 до 2; x – величина отклонения рукояти манипулятора от нулевого положения; y – скорость перемещения управляемого объекта;

и совмещает центры объекта стимула и управляемого объекта, а в момент предполагаемого совмещения испытуемый нажимает кнопку манипулятора «Готов», после чего измеряют ошибку наведения, равную расстоянию между центрами объекта стимула и управляемого объекта в момент нажатия кнопки «Готов» и время, затраченное испытуемым на прохождение испытания,

после чего тест повторяют заданное количество раз и вычисляют время реализации моторного слежения Т_мс по формуле:

,

где t_i – время, затраченное на прохождение i-го испытания, с; n - количество испытаний,

точности реализации программы моторного слежения Е_мс по формуле:

,

где е_i – ошибка наведения в i-м испытании, пункты; n - количество испытаний.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение экрана видеомонитора испытуемого при наведении управляемого объекта на объект стимул.

Предлагаемый способ оценки точности управления технологическим оборудованием с механическим и гидравлическим приводом осуществляется следующим образом.

На первом этапе в центре экрана видеомонитора испытуемого отображают объект стимул и управляемый объект, рука испытуемого располагается на рукояти манипулятора типа «джойстик» с рукоятью в начальном центральном положении.

На втором этапе при нажатии испытуемым на манипуляторе кнопки «Готов» автоматизировано начинают отсчет времени выполнения теста и разрешают движение управляемого объекта с задержкой относительно движения рукояти манипулятора, причем скорость перемещения управляемого объекта по вертикальной оси Y соответствует отклонению рукояти в положительном направлении по оси Y.

На третьем этапе испытуемый реализует программу вертикального перемещения, как можно скорее и как можно точнее совмещая центры объекта стимула и управляемого объекта путем отклонения рукояти манипулятора. При этом на экране видеомонитора в режиме реального времени отображают положение управляемого объекта, соответствующее отклонению рукояти джойстика с учетом постоянной времени отклика манипулятора Т, вычисляемого по формуле:

,

где T – коэффициент задержки отклика манипулятора в диапазоне от 0,1 до 2; x – величина отклонения рукояти манипулятора от нулевого положения; y – скорость перемещения управляемого объекта;

На четвертом этапе после наведения управляемого объекта на объект стимул испытуемый нажимает кнопку манипулятора «Готов», после чего заканчивают отсчет времени, затраченного испытуемым на реализацию программы моторного слежения и вычисляют ошибку наведения управляемого объекта, равную расстоянию в пунктах от центра управляемого объекта до центра объекта стимула, после чего тест повторяют с первого этапа заданное количество раз.

На пятом этапе вычисляют точность управления технологическим оборудованием в виде интегрального показателя скорости моторного слежения Т_мс и точности моторного слежения Е_мс соответственно по формулам:

,

где t_i – время, затраченное на прохождение i-го испытания, с; n - количество испытаний,

,

где е_i – ошибка наведения прицела в i-м испытании, пункты; n - количество испытаний.

Предлагаемый способ оценки точности управления технологическим оборудованием с механическим и гидравлическим приводом позволяет расширить функциональные возможности способов за счет измерения интегральных показателей времени и точности вертикального перемещения оператором подвижными объектами в процессе профессиональной подготовки операторов на различных ее этапах.

Литература

1. Попов Д.Н. Механика гидро- и пневмоприводов: учебник для вузов / Д.Н. Попов — 2-е изд., стер. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. – 320 с.

2. Патент № 2540164 РФ A61B5/16. Способ отбора для занятий единоборствами // Мамаева А.В. (РФ), Закамский А.В. (РФ), Полевщиков М.М. (РФ), Роженцов В.В. (РФ). Заявка: 2013148546/14, 30.10.2013 Опубл. 10.02.2015, Бюл. № 4.

3. Патент № 2497452 РФ A61B5/16. Способ определения времени реакции человека на движущийся по направлению от него объект // Курасов П.А. (РФ), Петухов И.В. (РФ). Заявка: 2012104099/14, 06.02.2012 Опубл. 20.08.2013, Бюл. № 23.

4. Патент № 2525638 РФ A61B5/16. Способ оценки зрительно-моторной реакции на движение объекта в пространстве // Левашов О.В. (РФ), Павлов С.Ф. (РФ). Заявка 2013124413/14, 28.05.2013 Опубл. 20.08.2014, Бюл. № 23.

5. Патент № 2381742 РФ A61B5/16. Способ определения способности к предвидению хода событий // Петухов И.В. (РФ). Заявка: 2008146586/14, 25.11.2008 Опубл. 20.02.2010, Бюл. № 5.

6. Патент № 2386395 РФ A61B5/16. Способ определения времени реакции человека на движущийся объект // Лежнина Т.А. (РФ), Роженцов В.В. (РФ). Заявка: 2008115066/14, 16.04.2008 Опубл. 27.10.2009, Бюл. № 30.