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1、人控制模型研究综述第11卷第4期1999年8月系统仿真J0URA【OFSYSTEMSIMU【ATION7oI1No.tAugust1999文章编号:IC0473l|x(1999J041,228%,;i人控制模型研究综述刘兴堂.t空军导捧学院李润玲磋酉7;5Suc王毕7一l摘要:简进了人控制模型研究的重要作用和普遁意义:给出1凡响应特性范围及常用的凡控制数学模型丹j式.并着重介绍了人最优控制模型厦其标准型凡最忧操纵模型.此外,还给出了凡拉制模型的典型应用实仔i.茎T竖P273莉rf挺中圈分类号:l文献标识码:A,一l.ASurveyOnStudyoftheHumanOperationModelL
2、IUXingtang,IIRunlingAbstral:Inthispaper,theimportantfunctionandwidesignificanceofthestudyofthehumanoperatormodelsarebrieflydiscussed.Thehumanresponselimitationsandthegeneralformsofthehumanmathematicamodel®iven.Thispaperismainlydemostratedtheoptimalhumanoperatomodelandstandardhumanoptimalpilot
3、mode1.Alsoargiventhetypicalappliedexampeofhumanoperationmode1.Keywords:humanoperatormodel;humanvehiclesystem;optimaleontrol引言对被控对象(如汽车,火车,飞机,舰艇,机器,设备等)的搀纵,驾驶或控制是人类实际物理活动的重要内容之.为了获得优良的操纵品质,人们很早就致力于本身响和一机系统的特性研究.因此.多年来.控制1=程尤其姓航空,航天和机器领域一直.分重视控制模型的研及应用;随着控制理论的发展和计算机仿真领域的扩大,吏人控制模型的研究不仅成为可能而且越来越十分必要.这是因
4、为这种模型研究除具有上述普遍意义外,对某些门更具有特殊作用.如在航空发展中,可利用飞行员数学模型:(1)揭示飞行中的机作用,洙一机系统特十l研究(2)台理提出行动力学指标要求,进行E行自动啼j系统(部件)结构及参数的最优化辅助设计;(3j顶测和f飞机的E行操纵品质;(4)给程E行模拟器和训练模器提供技术数据;(5)辅助拟定和修改试E大荆等.2人响应特性及其范围(门限)正确r.1陴响应特性及韩啊应1限是建人控制数学杉型的重要基础.实验和统计规律表明,作为一机闭,系统的动志环节之一(参见罔1,有如下主要峒应特性青.7限:崆稿日期:l998O9o8(1)对外输八信号具有固有的响应延迟r.0.10.3
5、秒(0)辱在对输入信号的通频带,通常,频率低于2.53.0秒时可满足跟踪输入信号,并具有较好的滤波特性.(3)具自自适应能力.即在完成明确控制任务时,町根据环境变化自适应地改变车身传递函数待c如,调整增益,引入超前时常敬了和变化退后时常数_f)以袭得最优行为模态一匹配大多数稳定的被控对象动力学.使凡机系统的开,传递函数幅频特性在低频段或接近系统截止频率(j的频段f保持斜率为20dB/dec.(4)神经肌肉延迟反映了人体传输动作延时,通常被近似为阶动力学惯性特性.其时间常数0080.16秒.(5)操作者残余足由观测非线性或时变品质决定的人喇麻部分,埘f几机位置系境.它仪为总峋庖输出的5左右.3常
6、见的人控制数学模型形式常见的几控制模主要何娄形式:传递函数横型,时间序列模型和最扰控制模型.1传递甬数模传递函数模型是日fI,最.泛的挖制填,町第11卷4期刘兴堂:人控制模型研究综述.229.有许多种.其典型形式为穿越模型冈一一ll动巷.负IJ荷J【._-J响应特性运动参数.一铬图1l凡饥闭环系统中的动态环节,通常.K一0.1l00T一05秒iTlO20秒一0.卜一0.3秒(在剧烈扰动或复杂操作时.一0.510秒)进步考虑神经肌肉传输延时和某些非线性固素时可采用模型:一南+式中.7一0.080.16秒.R一非线性因素影响下的残余项,般为总输出的5在航空训练模拟器中.常采用:Gacs一式中.了.
7、了.,飞行员神经纤维传输信号的It,tl<常数Tl一2.525秒,7zOo20.67秒与飞行员生理状态及飞行任务类型有关的训练极限值.d一0.0O.08.2)时间序列模型基于时间序列理论.的控制行为町描述成离散序模型.其差分形式为:一一一Yl一dY+blx一一b.a.一(r)亦可写成z传递函数形式:.一一车z,通常n一34r有效反应时滞.02-0.5(z)残余白噪声3)最优控制模型(OCM)根据现代控制理论,被视为人一机闭环回路中的最优控制器,结合上述人响应特性和门限并考虑观测噪占和运动噪声等影响可建立起图2所示的人最优控制摸型图2景优控制摸型的柑战?230?系统仿真1999年8月图中.
8、重构信号同最优反馈增益,在控制器中相乘再与运动噪声t一综合这里.反馈信号由二次型价值函数.,确定.J=.一口一Iv_式中,_-第i个观测变量的卸觉方差;,控制输入变化速率方差;.价值函数加权.其中值取决于控制任务-N的选取应使了1圭O.1秒=4标准型人最优操纵(驾驶)模型通用的凡操纵模型将构成一个动态校正器以模拟操纵等效式.台理地描述响应延时,非线性残余和神经肌肉体输延迟等.为了推导标准型最优操纵模型.假设被控对象和外扰可描述成状态空间表达武X=AX+B+EW(I)式d-.一施加于被控动力学系统的被延时输信号.白噪声干扰.若E佴1w=.刚应满足一E群被现谢向量的响应力Y=X+D+FV(2)式中
9、.操纵残余,其密度为Vdiag.这里,观测向量的第1个信号方差F一digF满Evv一(3)(4).l:j_00Oml:F00jjL0JJ或利用和定义一KXF+KX+K11)式中,K一KK于是,可得到对于单输情况的迭代算法十J(7)(12)其中,一对角线元素,其值等于神经肌肉时常数7观测噪声统计(特性)可借助求解稳定李雅普诺夫方程得到A虽十三一:+B0(13)(14)凡响应纯延时特性可利用二阶加近似式且输出反馈控制器(如?H)可表示成一1-rs/2-(rs)2/8式中,0加权矩阵.可按霉z.一米选择.调节变模型阶频率特性(一20riB/dec)向上偏移的控制输速筝0懈:0J=Y(ccCtT)Y-
10、一百i西1一.且z一(iYX),L=一(,D+Y),百,;B(,一1=匮善荸1+0:J雠且c为一1J象对控醢当第l1卷4期李革:分布式交互仿真中的白方体系结构?239?的.所以场景显示有时韵:为(steath).5记录与重演(DataLogger/Playback)记录DIS演练产生的PDU数据,语音数据和环境数据记录的数据一方面可以驱动重演.另一方面为演练分析提供素材.在具体实现白方系统时.可根据实际情况对以上五部分进行重新组合.5结束语根据本文建立的自方体系结构和提出的分层递珩管理模式.我们构造出了白方系统.并导弹攻防为背景宴现国内第一个符合DIS标准的DIS系统.我1】现在正将演练管理,
11、场所管理和节点管理商品化.参考文献:lIEEEStd1278.11995.IEEEStandard.rDtibmedIll_TeractiveSimuaon-AppicationProtocols2S.:2李革一黄打捧.DCT在DIS中的应用研究_J:.系统击真学报.1997():3李革.黄坷橡,刘建斌.分市式交互仿真中的日7YEA,国防科委仿真技术专业组I997年度学术交流台.北市.1997年11.目:4李革丹布式交互仿真中的仿真管理问韪研究:D-.博士论文-长沙:国防科拄大学,1998一;jStrawmanD1SArchitecmreDescriptionDocumen17MLoralSy
12、stemsCompany.1992.(上接第230页)幅所限这里仅举利用飞行员数学模型预测新机飞行操纵品质一例圈3绐出r利用飞行员数学模型G(s)和(一EoceD,-X(17)(s)来预测某垂直起落飞机(VTOL)悬停飞行操纵品质的一一人机系统仿真框图圈中x.0分别为飞机纵向通道位移5人控制模型的典型应用中,旨先产生计算飞行员评价函数(PR)所需要如前肝述,控制模型研究具有普遍实用意义.受篇的变量,T7(和_r分别为误整方差和飞行孽图3VTOL悬停状志下的人一机系统飞行仿真试验框图员操纵超前时常数)的测量值.然后按照算法公式计算出尸R测量值:PRPERF.rf(T)一1式中,尸ERF机飞行操纵
13、品质的性能变量.与飞行任务有关.这里PERF一0218a一1.25a.一lf(7)使用超前时常数下的操纵负荷此处,(,)一2.25I+7最后通过同相应库哈珀驾驶评定等级表的尸R值相比较.便可预测出该垂直起落飞机在悬停状态下的飞行操纵品质.很显然.这一应用克服了先前借助飞行员评定和预测飞行操纵品质时因飞行员不同而造成的人为因素影响.参考文献;1刘兴堂等飞行最数学模型与新机飞行品质预测:J飞行力学,1997(1).2:周自垒,刘兴堂等.现代飞行模拟拄术:M3,北京:国防工?出版杜,1997,1711723BlakelokJHAu【.rnttitrolfaircrafds】1eM2ndedA;rForceInstituteofTeehnoogy.19971.477一P80.:AndersonMR.Standardoptimalpilotmod1AIAAPap943627一nacIfI-H1l:h.LXrp3TpHaIII,lejIaulaTex1日TIlLIccI,IMoAe.【lIIcIa:u,TIIf1993351998年美国(Ei)收录系统仿真46条数据
