6. Принципы и особенности проектирования автоматизированных систем управления технологическими процессами

6.1. Человек-оператор как звено системы управления

В АСУ ТП наиболее распространены случаи, когда взаимодействие с УВМ (ЭВМ) осуществляется одним человеком – оператором.

Рассмотрим простейшую одноконтурную АСУ ТП, приведенную на рис. 6.1, работающую в режиме советчика. Здесь человек-оператор замыкает цепь воздействия в системе управления, т. е. является ее звеном. Процесс управления в этой системе осуществляется как ряд переходов от одного звена системы управления к другому x_вх, x₁, x₂, x₃, x_вых. При этом состояние любого звена, в том числе и оператора, влияет на все остальные звенья и в свою очередь зависит от них.

Рис. 6.1. Схема одноконтурной АСУ ТП

Для уменьшения влияния характеристик оператора на качество работы системы управления необходимо либо исключить человека-оператора из контура управления, либо ограничить его влияние на работу системы управления. Таковым является режим супервизорного управления, приведенный на рис. 6.2.

Рис. 6.2. АСУ ТП супервизорного управления

В этой системе управления при нормальной работе оператор ограничивается наблюдением за состоянием объекта управления. Оператор участвует в процессе управления при отказе технических средств (в первую очередь УВМ), при возникновении аварийных ситуаций и при переходах с одного режима работы на другой.

Приведенные примеры показывают, что в АСУ ТП любой сложности, любого режима работы необходимо учитывать характеристики человека-оператора.

Оптимизацией взаимодействия человека-оператора и технических средств занимается инженерная психология.

Свойства системы управления определяются характеристиками входящих в них звеньев. Из всех характеристик человека-оператора наибольшее влияние на работу системы управления оказывают динамические свойства оператора. В случае одноконтурной системы управления динамические свойства системы определяются временем полного цикла управления t_ц.у (временем прохождения сигнала по контуру человек-машина)

, (6.1)

где t_i – время задержки сигнала в i-м машинном звене системы; n – общее количество машинных звеньев; t_оп – время задержки сигнала оператором от момента поступления сигнала до ответа. Значение t_оп лежит в пределах 100÷500 мс и, как правило, существенно превышает суммарное время задержки в машинных звеньях.

Время t_оп складывается:

• из латентного периода реакции t_л, т. е. времени от момента появления сигнала до начала ответной реакции (движения человека‑операто­ра);

• времени моторного компонента t_м, т. е. длительности ответного движения.

Таким образом, запаздывание, вносимое оператором в цепь управления, намного превосходит запаздывание в машинной части системы управления и является определяющим для оценки результирующего запаздывания в системе управления. Оператору как звену системы управления присуще прежде всего чистое (латентное) запаздывание. Поэтому оператор описывается передаточной функцией вида

(6.2)

и уравнением вида

. (6.3)

Время чистого запаздывания τ в основном зависит от латентного периода, который в свою очередь определяется как характеристиками анализаторов (органов чувств) человека, так и интенсивностью возбуждения (значением входного сигнала x_вх). Причем, чем больше x_вх, тем меньше t_л. Это говорит о том, что человек‑опе­ратор является нелинейным звеном системы управления.

С увеличением интенсивности возбуждения возрастают также скорость и ускорение ответного движения, т. е. сокращается время моторного компонента t_м. Зависимость времени реакции человека t_р от интенсивности сигнала выражается соотношением

, (6.4)

где а – переменная часть времени реакции; i – интенсивность сигнала-раздражителя; n – величина, зависящая от конкретных характеристик сигналов и условий эксперимента; t_мин – минимальное время реакции в оптимальных условиях.

В отличие от машинных звеньев, реализующих, как правило, определенный (жесткий) алгоритм преобразования сигналов, человек-оператор способен обучиться разработанным реакциям на полученные сигналы, корректировать свои действия по скорости изменения сигнала, дозировать свои действия пропорционально значениям сигналов или осуществлять некоторые нелинейные преобразования.