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【ATION \7oI1No.t August1999 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￡. ASurveyOnStudyoftheHumanOperationModel LIUXing—tang,IIRunling Abstra~l:Inthispaper,theimportantfunctionandwidesignificanceofthestudyofthehumanoperatormodels arebrieflydiscussed.Thehumanresponselimitationsandthegeneralformsofthehumanmathematica]model &regiven.Thispaperismainlydemostratedtheoptimalhumanoperato~modelandstan dardhumanoptimalpi— lotmode1.Alsoargiventhetypicalappliedexamp]eofhumanoperationmode1. Keywords:humanoperatormodel;humanvehiclesystem;optimaleontro] l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.≈0.1 0.3秒 (0)辱在对输入信号的通频带,通常,频率低于2.5 3.0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'≈008 0.16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Ⅱll动巷.负I'J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一0—5秒iTl—O20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.7一0.08—0.16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'..了.,飞行员神经纤维传输信号的It,tl'<常数 Tl一2.525秒,7'z—Oo20.67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…d…Y+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一3—4 r——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.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; .Ⅳ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.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dig] F满E[vv]一 (3) (4) ".]] l:j _00O]m' l:F00jjL0JJ 或利用和"定义 "一KXF+KX+K"'11) 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)2/8㈤[[≥][]… 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(cc—CtT)Y-一百i西1一.且z一(i— YX),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(stea[th). 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,场所管理和节点管理商品化. 参考文献: :lIEEEStd1278.11995.IEEEStandard』.rD…tibmedIll_ TeractiveSimu[a~[on--App[icationProtocols2S~. :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;jStrawmanD1SArchitecmreDescriptionDocumen17M LoralSystemsCompany.1992. …………………………………………………………………………………'