人因工程第六章 控制器设计.ppt

第六章控制器的设计 本章学习目的 认识控制器设计的重要性 掌握并能应用控制器的设计原则 了解不同种类控制器的优缺点及适用范围 能够分析控制器设计的合理性 了解控制器设计领域的必威体育精装版动向 6.1 控制器概论 控制器是把人的控制信号传递给机器系统的工具。 在人-机系统中，控制器作为人和机器之间的联系纽带，是把人的控制意愿转化成机器运作命令的手段。 狭义和广义的控制器 根据控制的特点，控制器的定义能够被分为狭义和广义两种。 狭义的控制器在负责控制命令的传递过程中，本身不具有分析选择的智能，换句话说，这样的控制器没有采用程序控制的机制。大多数传统的控制工具都包含于这个狭义的定义之内，它们一般需要人特定的身体部位来触发控制。 广义的控制器在狭义控制器的基础上，还包括了采用建立在计算机技术之上的各种智能型程序控制。由于程控技术的采用，控制器本身具有了一定的分析能力，因而为通过声音或眼睛等方式进行控制提供了可能。 研究及应用领域的变迁 　　　从人因工程角度系统地对控制器进行研究起始于半个多世纪之前。早期的研究集中于前面所谈到的狭义上的控制器，这些控制器大都由人的手或脚触发，研究的重点在于控制信息的编码以及控制器设计的标准化等问题。随着计算机的出现和推广，控制器的设计和研究产生了几个较为重大的变化。 控制器的分类 离散或连续型控制器 　　根据所传递信息的特性，控制器可以被分为离散型和连续型两大类。离散型控制器其所传递的控制信息的离散的，是在有限值域内的一个选择。对于一个离散型的控制器而言，控制状态之间的切换是一个突变的过程。与此相反，连续型控制器所传递的是连续信号，通常是在连续值域上一个选择。　　在控制器设计过程中，对连续型或离散型控制的选择要从应用的场合及其要求出发。一般来说，离散型控制常用在控制状态数量较小情况下。一般的经验是，当控制状态少于25-30时，离散控制适用；而当需要进行精确细微调控或控制状态较多时，则通常采用连续型控制。值得提出的是，使用者在通过离散型控制器的操作过程中能得到更多的控制反馈。 2) 直线型或旋转型控制器 　　根据所允许的操作方向，控制器又可以被分为直线型和旋转型两类。典型的直线型控制器包括按钮、上下拨动的开关，和沿直线方向前后移动的滑杆等。旋转型控制器则包括传统的电话拨号键盘，门的旋转把手，和广播上的圆形音量旋纽等。 　　一般来说，对于连续信号经常采用旋转型控制器，这样可以把控制器设计得较为小巧，节省了空间；而在针对离散信号时，采用直线型控制器又有着设计简单、明了的优点。在这两种控制器类型之间的选择并没有一定的准则，设计人员往往发挥想象力，并结合实际问题而做出选择。 3) 单自由度或多自由度控制器 　　　控制器的自由度决定控制器上活动部分所允许的运动方式。简单地说，单自由度的控制只发生在单一方向上,这种单自由度控制也常常被称为一维控制。相比之下，多自由度控制器能够实现多于一个自由度的控制运动，常见的例子包括电脑鼠标，游戏操纵杆，手动汽车的档位操纵杆等。这几个例子中，控制器都接受使用者两个自由度上的输入，因此也被称为二维控制。　　从控制的信号输出角度出发，单自由度控制是单值输出，而多自由度控制是向量输出。大多数情况下，多自由度的向量输出都能通过多个单自由度的控制加以组合而实现。 4) 手控、脚控等 　　　根据人触发控制器时所采用的身体部位和交互方式的不同，控制器也可被分为手控、脚控等不同的种类。由于人身体不同部位的力量、灵活性各有差别，控制的设计应该从它们的不同特点出发。人的手动作灵巧，因而适合从事精确、细致的控制工作，如键盘输入等在多个控制位之间频繁转换的任务。相反，人的脚部力量大，但灵活性较差。因此，脚适合于控制动作简单、但触发控制力量较大或需要持续施力的工作任务。从控制自由度的角度上说，多自由度的控制要求较为复杂的控制动作，因而一般采用手控；而脚控一般作为单自由度控制的一个方式。在实际生活中，脚控常常作为手控的一种补充形式，在人的手已经被别的任务所占有的情况下，脚可以用来完成一些辅助性的任务。最典型的例子是驾驶汽车，弹钢琴，或操作传统缝纫机时所采用的手脚合作的方式。 5) 自由移动型和固定型控制器 　　　根据在受力情况下的表现，控制器可分为自由移动型和固定不动型两大类。区别这两类控制器的一个通俗易懂的例子是计算机上鼠标的两种实现方式。如图6-3所示，常见的计算机外置鼠标状似一个小老鼠，通过电线连接在计算机上。它是一个自由移动型控制器的代表。随着人的作用力，这个鼠标可以在二维平面上自由滑动，控制信号（X,Y坐标位置的变化）是通过感知其运动而实现。而一些手提电脑上附带的鼠标杆则是固定不动型的控制器的代表。鼠标杆位于键盘中部，用户按动此杆就能达到控制指针的作用。与自由移动鼠标不同的是鼠标杆不会改变位置，它