Оптимальная система автоматического управления линейным объектом второго порядка

Программный комплекс для моделирования динамических систем "20-sim"состоит их двух связанных между собой программ:

Графического редактора (Graf Editor),

Моделирующей системы (Simulator).

Этапы моделирования объединены в две стадии в соответствии с используемой программой: составление модели и подготовка и проведение эксперимента.

При описании моделируемой системы в цикле лабораторных работ по курсу "Системы автоматизации и управления" используется представление моделируемой системы в виде структуры типовых блоков из библиотек программного комплекса для моделирования динамических систем "20-sim".

Представление моделируемой системы в виде блоков требует некоторого навыка. Наиболее просто задача решается, если математическое описание объекта, регулятора и преобразователей задается в виде передаточных функций. Структурная схема системы для моделирования на ПЭВМ получается с помощью последовательного, параллельного или встречно-параллельного соединения блоков, входящих в библиотеку пакета.

В библиотеки "20-sim" входят различные блоки: статические и динамические звенья, нелинейные, логические и дискретные блоки, источники сигналов, типовые регуляторы и критерии, блоки математических функций и др.

Для моделирования рассмотренных ранее оптимальных систем используем следующие блоки:

con - блок формирования ступенчатого входного сигнала;

pulsgen - блок формирования импульсного воздействия;

forder - блок моделирования апериодического звена;

gain_1 - блок формирования постоянного коэффициента;

att_1 блок деления на постоянный коэффициент;

intgrl_1 - блок интегрирования входного сигнала;

(соединение блоков att_1 и intgrl_1 позволяет получить интегрирующее звено);

power_1 - блок возведения переменной в степень;

signi_1 - блок изменения модульной функции;

sqrtsgn_1 - блок вычисления корня функции с модульной переменной;

блок минуса и блок плюса.

Так же в программе 20-sim можно самим создавать необходимые блоки при помощи операции Show Submodel, которая позволяет программировать в 20- sim на языке Si++ новые элементы с необходимыми формулами.

Например: для вычисления создадим блок

interface

inputs: real inp # input signal

outputs: real outp # output signal

parameters

real p # power

equations

outp=log((inp)+p)

Набор структурной схемы модели решения задачи осуществляется в графическом редакторе с помощью панели GE: Draw. Набранную модель необходимо проверить с точки зрения формальной логики построения схем, заложенной в программном комплексе "20-sim"и сохранить. Эта операция осуществляется командой Check & Save SIDOPS ("Проверка и сохранение модели"), появляющейся в выпадающем окне при выборе пункта главного меню графического редактора Process ("Процесс"). Если в набранной модели нет ошибок, то разрешается доступ к моделирующей системе (пункт меню графического редактора Simulation ("Моделирование") становится активным).

Используя пункт главного меню графического редактора Simulation, необходимо открыть окно Simulator и в нем выбрать пункт главного меню Experiment ("Эксперимент"). В выпадающем меню этого пункта необходимо последовательно задать значения коэффициентов командой Parametrs, начальных условий командой Inital Conition, параметров моделирования командой Run Specifications и вывода информации Plot Specifications.

Подготовленный эксперимент (модель с соответствующим интерфейсом и режимом моделирования) запускается на решение пунктом меню Action Start Simulation ("Действия" "Начало моделирования").

Программный комплекс имеет большие возможности по моделированию динамических систем (неограниченное число линейных, нелинейных и др. блоков, используемых в модели, исследование поведения модели при различных входных сигналах, оптимизация значений параметров блоков по задаваемым критериям, наглядное представление результатов моделирования и пр.), что позволяет решать широкий круг задач исследования систем автоматического управления технологическими объектами в различных отраслях промышленности [8].

3.2 Моделирование объекта с передаточной функцией

При разработке программы для лабораторной работы был использован метод максимума Понтрягина, который был подробно изложен выше. Программа разработана для 3-х вариантов выполнения синтеза оптимальной по быстродействию системы, объект которой представляет собой:

1) - соединение двух интегрирующих звеньев,

2) - инерционное интегрирующее звено,

3) - соединение двух апериодических звеньев.

На управление u(t) наложено ограничение

Необходимо найти оптимальное управление , которое произвольное начальное состояние (х₁₀, x₂₀) переводит в начало координат за минимальное время Т.

Общая структура оптимального по быстродействию регулятора показана на рис.3.2.1

Рис. 3.2.1 Структурная схема АСР с оптимальным по быстродействию регулятором

В суммирующем устройстве производится вычисление вектора ошибки регулирования

,

где S(t) - вектор заданных значений переменных состояния (с постоянными составляющими для систем стабилизации или с изменяющимися случайным образом составляющими в системах следящего регулирования).

В нелинейном преобразователе НП реализуется уравнение поверхности переключений (Е). Релейный элемент РЭ выполняет операцию вычисления знака управления

Перемещением регулирующего органа управляет исполнительный механизм ИМ.

Структурная схема может быть дополнена вычислительным устройством для определения прогнозируемых значений X(t+) и тех составляющих вектора состояний объекта, которые не могут быть непосредственно измерены на объекте.

Решение 1-го варианта .

Используя ранее описанные блоки, составим модель данной ОСАУ, по алгоритму решения, который был вычислен в предыдущей главе:

=0, если , х₂

Структурная схема данной модели будет иметь следующий вид (рис. 3.2.1)



Рис. 3.2.1. Структурная схема ОСАУ с объектом регулирования

Для подготовки к проведению эксперимента необходимо открыть окно моделирования (пункт главного меню Simulation) и активизировать пункт Experiment ("Эксперимент"). В открывшемся меню этого пункта необходимо последовательно задать значения коэффициентов (пункт меню Parametrs), начальных условий (пункт меню Inital Conition), параметров моделирования (пункт меню Run Specifications) и вывода информации (пункт меню Plot Specifications). Параметры объекта: : T= 1 c.

Ввод значений коэффициентов модели осуществляется нажатием кнопки Apply ("Применить") или переходом на следующий коэффициент. После окончания набора нажать кнопку "ОК". Клавиша Import ("Импорт") предназначена для ввода ранее сохраненных значений параметров модели.

Зададим начальные условия

Окно "Начальные условия" имеет аналогичный вид. В нем необходимо задать нулевые начальные условия для всех параметров. Нулевые начальные условия одновременно для всех параметров задаются нажатием клавиши States ("Состояние") в открытом окне "Начальные условия".

Подготовка информации о выводе результатов

Для задания информации о выводе результатов моделирования необходимо вызвать окно Plot specification, нажать клавишу Choose Name ("Выбрать имя") и в списке блоков модели отметить выходы нужных блоков. В полосе Label ("Метка") необходимо написать обозначения выводимых на графики величин (Вход, Выход). Для каждого графика необходимо выбрать режим установки масштаба по оси ординат Scaling ("Шкала").

После того, как модель и необходимые параметры заданы, можно проводить эксперимент, т.е. осуществлять решение сформулированной задачи.

Подготовленный эксперимент (модель с соответствующим интерфейсом и режимом моделирования) запускается на решение пунктом меню Action --> Start Simulation или соответствующей пиктограммой на панели инструментов. Полученный результат приведен на рис. 3.2.2.

Рис. 3.2.2. Переходная характеристика ОСАУ

Для определения импульсной характеристики объекта необходимо изменить структуру модели решения задачи, заменив блок ступенчатого входного воздействия con, на блок pulsgen - импульсное воздействие, выходом которого является прямоугольный импульс.

Для этого необходимо выполнить следующую последовательность действий:

В графическом редакторе изменить структуру модели решения задачи, заменив блок ступенчатого входного воздействия con на блок pulsgen - импульсное воздействие.

При подготовке эксперимента задать параметры блока pulsgen

где: Т₁=-1 - время начала импульса;

Т₂=1 время окончания импульса;

P=1 высота импульса.

Провести эксперимент, оставив условия проведения эксперимента прежними.



Рис. 3.2.3 Импульсная характеристика ОСАУ

Меняя коэффициент T, можно наблюдать за изменениями выходных характеристик (приложение I).

3.3 Моделирование объекта с передаточной функцией с

Необходимо найти оптимальное управление системы, которое произвольное начальное состояние (х₁₀, x₂₀) переводит в начало координат за минимальное время Т, объект регулирования представляет собой

Используя полученный ранее алгоритм решения

=0, если , х₂

Построим модель системы оптимального управления данным объектом. Структурная схема будет иметь следующий вид (рис. 3.3.1)

Рис. 3.3.1 Структурная схема ОСАУ с объектом регулирования

Сохранив модель, проведем эксперимент (Simulation/ Experiment) ("Эксперимент"). Далее зададим:

· значения коэффициентов (Parametrs) - k=1, T₁=1;

· начальные условия (Inital Conition) - нулевые;

· значения вывода информации (Plot Specifications) - x*(t), u*(t).

Запускаем эксперимент Action/ Start Simulation. Полученный результат приведен на рисунке 3.3.2.

Рис. 3.3.2. Выходная характеристика ОСАУ x*(t) и u*(t)

Определим импульсную характеристику объекта.

Рис. 3.3.3. Импульсная характеристика ОСАУ

Меняя коэффициенты k, T₁ можно наблюдать за изменениями выходных характеристик (приложение II).

3.4 Моделирование объекта с передаточной функцией с

Необходимо найти оптимальное управление системы, которое произвольное начальное состояние (х₁₀, x₂₀) переводит в начало координат за минимальное время Т, объект регулирования представляет собой

Используя полученный ранее алгоритм решения

Построим модель системы оптимального управления данным объектом. Структурная схема будет иметь следующий вид (рис. 3.4.1)

Рис. 3.4.1. Структурная схема ОСАУ с объектом регулирования

Сохранив модель, проведем эксперимент (Simulation/ Experiment) ("Эксперимент"). Далее зададим:

· значения коэффициентов (Parametrs) - k=1, T₁=1, T₂=1;

· начальные условия (Inital Conition) - нулевые;

· параметры моделирования (Run Specifications)

· значения вывода информации (Plot Specifications) - x*(t), u*(t).

Запускаем эксперимент Action/ Start Simulation. Полученный результат приведен на рисунке 3.4.2.



Рис. 3.4.2. Выходная характеристика ОСАУ x*(t) и u*(t)

Определим импульсную характеристику объекта. Параметры блока pulsgen

где: Т₁=-1 - время начала импульса;

Т₂=1- время окончания импульса;

P=1 - высота импульса.

Рис. 3.2.3. Импульсная характеристика ОСАУ

Меняя коэффициенты k, T₁, T₂, можно наблюдать за изменениями выходных характеристик (приложение III).

4. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММЫ

Научно-технический прогресс в наше время в значительной степени определяется развитием вычислительной техники и программного обеспечения. Основной причиной устойчивых и быстрых темпов роста производства ЭВМ и программных средств является возможность значительного повышения производительности во всех сферах за счет применения ЭВМ. Однако желаемая широта применения ЭВМ наталкивается на ограниченные возможности по разработке и сопровождению программ, а также по обслуживанию ЭВМ. Суть ограничений заключается в отстаивании технологии разработки и производства аппаратуры ЭВМ, что отрицательно сказывается на объеме производства и качества программных средств. Качественное изменение роли программ для ЭВМ привело к необходимости создания экономии программных средств, как части экономии производства [13].

В данном разделе дипломной работы определяется расчет полной стоимости спроектированного комплекса программных средств и экономической эффективности от ее внедрения.

При расчете стоимости разрабатываемой программы необходимо учесть следующие факторы:

· Полезный годовой фонд времени;

· Годовые эксплуатационные затраты;

· Среднегодовая заработная плата разработчика;

· Стоимость одного часа машинного времени;

· Дополнительные коэффициенты, влияющие на стоимость данной программы.

Главным источником роста прибыли и рентабельности является снижение себестоимости. Снижение себестоимости программного продукта можно добиться несколькими путями:

- изменение объема и структуры продукции;

- повышение производительности труда;

- использование ранее написанных модулей.

4.1 Стоимость одного часа машинного времени

Стоимость одного часа машинного времени вычисляем по формуле:

, (4.1)

где: С_экс - годовые эксплуатационные расходы, руб.;

Т_эф - эффективный годовой фонд времени, час;

К_исп - коэффициент использования машины и времени разработчика. Коэффициент использования машины принимаем 0,9.

Эффективный фонд времени

На предприятии продолжительность смены 8 часов, работа идет в одну смену, в году 253 рабочих дней, за рабочий день предусмотрен регламентированный перерыв 1 час. Эффективный годовой фонд времени рассчитывается по формуле:

, (4.2)

где: t_pд - продолжительность рабочего дня;

=1 - количество смен;

=253 - количество рабочих дней;

=1 - регламентированные потери рабочего времени.

Подставив эти данные в формулу (4.2), получим, что эффективный фонд времени будет равен:

= (8•1•253)-(1•253•1) = 1771 часов

Эксплуатационные расходы

Эксплуатационные расходы также являются неотъемлемой частью затрат на разработку программы, и вычисляются по формуле:

С_экс = ЗП_ср.год + А_год + С_н.р. + С_э, (4.3)

где: ЗП_ср.год - среднегодовая заработная плата разработчика, он же занимается обслуживанием. Работу выполняет инженер-программист с заработной платы в размере 15000 рублей.

А_год - годовые амортизационные отчисления, руб.;

С_нр - накладные расходы, руб.;

С_э - стоимость потребляемой электроэнергии за год, руб.

руб., (4.4)

где: Ч - численность рабочих, 1 человек.

ЗП_ср.год = 15000*1*12 = 180000 руб.

А_год. = Н_а% • С_комп., (4.5)

где: Н_а - норма амортизации (10%), ускоренная амортизация (20%);

С_комп. - стоимость компьютера (22000 тыс. руб.).

руб.

Накладные расходы в условиях предприятия = П_пр50% от заработной платы техника-программиста. Сюда включаются затраты на содержание помещения, оборудования, управленческие затраты.

 (4.6)

руб.

С_э = М_п • Т_р.вр. • Ц_э • К_исп, (6.7)

где: М_п =0.3 кВт - сумма потребляемой мощности;

Т_р.вр. =1771 час - годовой фонд рабочего времени в 2007 году;

Ц_э =1.10 руб. - стоимость 1 кВт.;

К_исп =0.9 - коэффициент использования мощности, принимается;

С_э = 0.3• 1771 • 1.10 • 0.9 =525.987 руб.

Полученные данные представим в виде таблицы 4.1

Таблица 4.1 - Эксплуатационные расходы

Показатель	Расчетная формула	Значение	% соотношение
Среднегодовая заработная плата разработчика, руб.		180000	65.47
Годовые амортизационные отчисления, руб.	Агод = На% • Скомп	4400	1.6
Стоимость потребляемой электроэнергии за год, руб.	Сэ = Мп • Тр.вр • Цэ • Кисп	525.99	0.19
Накладные расходы, руб.		90000	32.74
Итого:	Сэкс = ЗПср.год + Агод + Сн.р +Сэ	274925.99	100



Рис. 4.1 %-ое соотношение эксплуатационных расходов

Исходя из этих данных, получаем:

Сэксп = 180000 + 4400 + 90000 + 525.99 = 274925.99 руб.

По полученным значениям рассчитываем стоимость машинного часа, которая рассчитывается по формуле 4.1:

руб.

4.2 Расчет стоимости разработки программы

Время разработки программы

Время разработки рассчитывается по следующим этапам, как показано в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Этапы разработки программы

№п/п	Этапы разработки	Время, час.
1	Постановка задачи	30
2	Выбор метода решения	10
3	Составление алгоритма	35
4	Выбор языка программирования	1
5	Составление программы	100
6	Отладка	40
	ИТОГО	216
	В том числе машинное время	140

Стоимость разработки программы

Стоимость разработки программы рассчитывается по формуле:

С_р= ЗП_р.руч • n1 + С_м.час • n1 (4.8)

где: n1 и n2 - соответственно количество чел. часов разработки и машинных часов;

nl = 76 час.;

n2=140 час. ЗП _p.руч. - средняя часовая заработная плата разработчика инженера

программиста с отчислениями на социальные нужды.

, (4.9)

ФЗП_год = ЗП_ср.год.+ ОТЧИСЛ. (4.10)

Отчисления на социальные нужды 26%, в том числе:

- Федеральный бюджет - 20%

- Фонд медицинского страхования - 2.8%

- Фонд социального страхования - 3.2%

ФЗП_год = 180000 + 180000 • 0.26 = 226800 руб.

Рассчитываем среднечасовую заработную плату по формуле 4.9:

руб.

Вычисляем стоимость разработки программы по формуле 4.10:

С_р = 128.06 • 76 + 172.5 • 140 = 33882.81 руб. (себестоимость)

4.3 Цена программного продукта

Цена разработанной программы в рыночной экономике рассчитывается на основе принципов рыночного ценообразования. Для этого производится аналитические расчеты и оценки.

Программное обеспечение имеет две особенности существенно отличающих его от других видов товаров. С одной стороны это авторское произведение. С другой стороны созданную программу легко размножить (затраты на копии ничтожны малы).

Цены устанавливаются в зависимости от их назначения и разработки: уникальные, по заказу, специализированные и универсальные рыночные.

Определяющими факторами для формирования рыночной цены являются [5]:

- Потребность (спрос) в программных продуктах определенного типа;

-Количество потенциальных покупателей и их финансовые возможности;

- Наличие конкурентов;

- Качество;

- Удобство в пользовании;

- Реклама.

Цена = себест. + прибыль + НДС, (4. 11)

где: прибыль = 50%;

НДС =18%.

Цена = 33882.81 • 0.5 + (33882.81 + 16941.41) •0.18 = 26089.77 руб.

Необходим анализ ситуаций, возникающих на рынке программных средств. Первоначальные затраты на разработку программы являются постоянными затратами, возмещения которых, как правило существующих экономико-математических моделях не учитывается. Продавцы пытаются получить максимальную выручку от продажи. В этом случае поиск рыночной цены можно записать в виде оптимальной модели:

 (4.12)

где: В_р - выручка, руб.; Ц - искомая цена, руб.;

К_с - количество копий, которые будут проданы по цене «Ц».

К_с - 2 шт.

В_р = 26089.77 •2 = 52179.54 руб.

В начале назначается максимальная цена, затем она снижается.

4.4 Расчет экономической эффективности от внедрения программы

Внедрение данной программы на производстве позволит значительно сократить время переходного процесса, а значит добиться снижения расхода энергии оборудования выполняющего данную задачу.

Расчет экономической эффективности проводится по разности затрат до внедрения (31) и после внедрения (32), умноженной на объем выполняемых работ (N) за минусом стоимости разработки программы (С_р).

Э = (31-32)* N-C_p, (4.13)

где: N =253 - количество запусков программы в год;

31 = ЗП_р.руч• t l , (4.14)

где: t l=0.5 час. - время на один расчет в ручном варианте.

31 = 128.67•0.5 = 64.33 руб.

32 = С_м.ч.• t 2, (4.15)

где: С_{м ч} - стоимость машинного часа;

t2 =0.08 час. - время на один расчет в машинном варианте.

32 = 172.49 •0.08 = 13.80 руб.

Годовой экономический эффект составил:

Э = (64.33 -13.80)• 253 -33882.81=21098.72 руб.

Срок окупаемости данной программы составит:

. (4.16)

То есть данная программа окупится через 1.6 года.

Все полученные данные представлены в таблице 4.3.

Таблица.4.3 - Свободные экономические показатели по разработке программы

Показатель	Расчетная формула	Значение
Стоимость одного часа машинного времени, руб.
Стоимость разработки программы, руб.	Ср= ЗПр.руч • n1 + См.час • n1	33882.81
Цена программного продукта, руб.	Цена = себест. + прибыль + НДС,	26089.77
Годовой экономический эффект, руб.	Э = (31-32)* N-Cp,	21098.72
Срок окупаемости, год.		1.6

Экономический эффект подсчитан на основе сравнения выполнения работы программными средствами и расчета вручную. Приведенные расчеты свидетельствуют об экономической целесообразности внедрения и применения разработанной программы для лабораторной работы. Экономия осуществляется в основном за счет сокращения времени работы оборудования.

5. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ

Охрана труда - это система законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда.

5.1 Организация рабочего место и обеспечение безопасности при использовании ЭВМ

Производительность и безопасность труда работника, использующего в своей работе вычислительную технику, зависит от правильной организации и режима труда на рабочем месте. Правильная организация рабочего места -- это создание на рабочем месте необходимых условий для производительного труда и выполнения работы (операции) высокого качества при наиболее полном использовании оборудования, экономном расходовании физической и эмоциональной энергии работника, повышении содержательности и привлекательности труда, сохранении здоровья работающих. При организации труда на рабочем месте учитывают следующие факторы:

* особенность технологического процесса;

* уровень механизации и автоматизации;

* уровень специализации;

* степень разделения труда;

* используемые приемы и методы работы.

Организация рабочего места для каждой ЭВМ имеет свои специфические особенности, зависящие от модели машины, метода работы на ней, характера выполняемой работы, квалификации оператора и т.п. Учитывая специфику машины, рабочее место организуют так, чтобы использовать рациональные приемы работы и эксплуатации машины при наименьшем числе движений оператора и удобном обращении с обрабатываемым материалом.

На организацию труда на предприятии, использующем вычислительную технику, существенно влияют конструкция и параметры основного и вспомогательного оборудования, которые должны отвечать требованиям эргономики:

· оптимальному распределению функций в системе человек--машина;

· соответствию конструкции оборудования антропометрическим и психофизиологическим данным организма работающего;

· соблюдению допустимых показателей производственной среды и санитарно-гигиенических условий труда, а также безопасности эксплуатируемого оборудования.

Основой роста производительности труда является изучение, обобщение и распространение передового опыта работы. Внедрение передового опыта влияет на производительность труда операторов на вычислительных машинах; так, производительность растет за счет сокращения времени набора исходных данных на клавиатуре, совмещения выполнения во времени нескольких элементов операций, рациональной подготовки и укладки документов и т.п. Эффективным методом повышения производительности труда руководящих работников и специалистов является использование в их работе вычислительной техники. Чтобы эти методы работы были действенны, необходимо сочетать их с совершенной системой организации производства, например, с системами комплексной подготовки производства, с использованием программно-целевых методов и автоматизированного проектирования, функционально-стоимостного анализа, стандартных и типовых проектных решений, единых комплексов технических и программных средств по переработке и преобразованию информации.

Кроме того, на эффективность труда ИТР и служащих существенно влияет применение правильных приемов работы на рабочем месте. Для них, как и для операторов, справедлив принцип: минимум затрат физической и эмоциональной энергии, но максимум результатов труда. Достичь этого можно, лишь освоив рациональные методы и приемы труда на рабочем месте. Только они позволяют выполнить заданную работу качественно, в минимальные сроки и без лишнего напряжения. Практикой установлено, что рационализацией приемов и движений работающего на рабочем месте трудоемкость может быть снижена на 10 -- 15 %, а эффективность труда в целом повышена на 30 -- 40 %.

На повышение производительности труда на предприятиях оказывает существенную роль правильная планировка рабочих мест [10].

Планировкой рабочего места называют пространственное расположение основного и вспомогательного оборудования, оснастки и предметов труда, а также самого работающего, обеспечивающее рациональное выполнение трудовых движений и приемов, благоприятные и безопасные условия труда.

При организации рабочего места весьма важным фактором является рабочая поза работника, т.е. положение его корпуса, головы, рук и ног относительно орудий труда. Если работник работает сидя, ему необходимо обеспечить правильную и удобную посадку, что достигается устройством опоры для спины, рук, ног, правильной конструкцией сиденья, способствующей равномерному распределению массы тела.

При конструировании рабочих мест должны быть соблюдены следующие основные условия:

-достаточное рабочее пространство для студента, позволяющее осуществлять все необходимые движения и перемещения при эксплуатации и техническом обслуживании оборудования;

-достаточные физические, зрительные и слуховые связи между студентом и оборудованием, а также между студентами;

-оптимальное размещение рабочих мест в помещениях для оперативной работы, а также безопасные и достаточные проходы для студентов;

-оптимальное размещение оборудования, входящего в состав рабочего места, главным образом средств отображения информации и органов управления;

-допустимый уровень акустического шума и вибрации, создаваемых оборудованием рабочего места или другими источниками шума и вибрации.

В особых случаях должны быть предусмотрены необходимые средства защиты персонала от радиационной, термической, токсической, электромагнитной и других опасностей.

При конструировании и размещении рабочих мест следует предусмотреть меры, предупреждающие или снижающие преждевременное утомление студента, предотвращающие возникновение у него стресса, а также появления ошибочных действий.

Конструкция рабочего места должна обеспечивать быстроту, безопасность, простоту и экономичность технического обслуживания в нормальных и аварийных условиях, полностью отвечать функциональным требованиям и предполагаемым условиям эксплуатации. Она должна быть такой, чтобы эксплуатацию, техническое обслуживание или ремонт оборудования рабочего места мог производить персонал, имеющий минимальную подготовку.

При организации рабочего пространства необходимо учитывать основные антропометрические и биохимические данные именно такого контингента лиц, которым предстоит эксплуатировать рабочее место. Важнейшими характеристиками рабочего пространства являются зоны досягаемости.

Зоны досягаемости в горизонтальной плоскости представлены на рис.5.1, где:

А - зона максимальной досягаемости;

В - зона досягаемости пальцев при вытянутой руке;

С - зона удобной досягаемости ладони;

D - оптимальное пространство для грубой ручной работы;

Е - оптимальное пространство для тонкой ручной работы.

В зонах D, E возможны наиболее быстрые, точные, координированные и наименее утомляющие движения. Сектор досягаемости каждой руки имеет угол 180є.

Рис.5.1 Зоны досягаемости

При организации рабочего пространства нужно учитывать: степень подвижности студента (работа “сидя”, “стоя” или “сидя-стоя”):

-конфигурацию и способ размещения органов управления

-потребность в обзоре рабочего места

-необходимость использования рабочей поверхности для письма или других работ, для установки телефонных аппаратов, а также хранение инструкций и других материалов, используемых студентом или обслуживающим персоналом.

-пространство для ног и ступней оператора (студента) при работе “сидя”.

Конструкция рабочей мебели (стол, стул или кресло) должна обеспечивать возможность индивидуальной регулировки соответственно росту работающего и создавать удобную позу при работе.

При работе студента в положении “сидя” рекомендуются следующие параметры рабочего пространства:

-ширина - не менее 700мм

-глубина - не менее 400мм

-высота рабочей поверхности стола (столешницы) над полом - 700-750 мм.

Если требуется иметь поверхность для письма, она должна иметь не менее 400 мм в глубину и не менее 600 мм в ширину.

Под рабочей поверхностью должно быть предусмотрено пространство для ног:

-высота - не менее 600 мм;

-ширина - не менее 500 мм;

-глубина - не менее 400мм ;

При необходимости обзора рабочего места высота последнего не должна превышать 1200 мм.

Кресло студента должно обеспечивать надежную опору для тела с учетом выполняемых студентом действий.

Наиболее удобно сиденье, имеющее выемку, соответствующую форме бедер, и наклон назад. Спинка стула должна быть изогнутой формы, обнимающей поясницу. Длина ее 30 мм, ширина 11мм, радиус изгиба 30-35 мм.

Для эффективной работы на ЭВМ следует продуманно подойти к организации рабочего места оператора (служащего) с использованием ПЭВМ.

Специфика труда таких работников заключается в больших зрительных нагрузках в сочетании с малой двигательной активностью, монотонностью выполняемых операций, вынужденной рабочей позой. Эти факторы отрицательно сказываются на самочувствии работающего и могут вести к профессиональным заболеваниям.

Зрительные нагрузки связаны с воздействием на зрение дисплея (видеотерминала-- ВДТ). Чтобы условия труда оператора были благоприятными, снизилась нагрузка на зрение, видеотерминал должен соответствовать таким требованиям:

* экран должен иметь антибликовое покрытие. Наилучшее сокращение отражений может быть достигнуто с помощью фильтров с просветленными поверхностями (напыление четвертьволнового слоя). Достаточные сокращения отражений достигаются также благодаря фильтрам из дымчатого стекла и матовым поверхностям экранов. Микроячеистые фильтры оправданы при ярком освещении в помещении тогда, когда при установке ВДТ невозможно учесть расположение осветительных приборов. Оптимальное подавление отражений может быть достигнуто в основном при строго вертикальном или слегка наклонном расположении дисплея. Самая верхняя используемая строка на экране не должна располагаться выше горизонтальной линии взгляда;

* цвета знаков и фона должны быть согласованы между собой. При работе с текстовой информацией (в режиме ввода данных, редактирования текста и чтения с экрана ВДТ) наиболее благоприятным для зрительной работы оператора является представление черных знаков на светлом фоне, так как при одинаковом контрасте разборчивость знаков на светлом фоне лучше, чем на темном;

* для многоцветного отображения рекомендуется использовать одновременно максимум 6 цветов -- пурпурный, голубой, синий, зеленый, желтый, красный, а также черный и белый, так как вероятность ошибки тем меньше, чем меньше цветов используется и чем больше разница между ними, а для одноцветного отображения -- черный, белый, серый, желтый, оранжевый и зеленый. Красные и голубые цвета на границе видимого спектра (и их сочетания) применять нельзя;

* необходимо регулярное тщательное обслуживание терминалов специалистами. В настоящее время в ряде зарубежных стран разработаны регламентирующие правила пользования дисплеями. Наиболее известны шведские документы МКР II 1990:8 (Шведский национальный комитет по защите от излучений) и более жесткий стандарт ТСО 95 (Шведская конфедерация профсоюзов). Эти нормы применяются во всех странах Скандинавии и рекомендованы к распространению в странах ЕС [14].

В Российской Федерации безопасные условия труда на компьютерах регламентирует документ «Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации труда».

Таблица 5.1 - Визуальные эргономические параметры ВДТ

Наименование параметров	Пределы значений параметров
	минимум (не менее)	максимум (не более)
Яркость знака (яркость фона), кд/м2 (измеренная в темноте)	35	120
Внешняя освещенность экрана, лк	100	250
Угловой размер знака, утл. мин	16	60

Оптимальным диапазоном значений визуального эргономического параметра называется диапазон, в пределах которого обеспечивается безошибочное считывание информации при времени реакции человека-оператора, превышающем минимальное, установленное экспериментально для данного типа ВДТ, не более чем в 1.2 раза.

Допустимым диапазоном значений визуального эргономического параметра называется диапазон, при котором обеспечивается безошибочное считывание информации, а время реакции человека-оператора превышает минимальное, установленное экспериментально для данного типа ВДТ, не более чем в 1,5 раза.

Угловой размер знака-угла между линиями, соединяющими крайние точки знака по высоте и глаз наблюдателя.

Угловой размер знака определяется по формуле

а = arctg (h/2L),

где h -- высота знака;

L-- расстояние от знака до глаза наблюдателя.

Данные значения параметров являются обязательными.

5.2 Мероприятия, обеспечивающие комфортные условия труда

К эргономическим требованиям, обеспечивающим максимальную эффективность, безопасность и комфортность труда, относятся следующие:

1) гигиенические (факторы внешней среды - температура, физико-химический состав воздуха, освещенность, шумы и т.п.)

2)антропометрические и биомеханические, характеризующие соответствия орудий труда размером, форме и весу тела, силе и направлению движений и т.п.

3)физиологические и психофизиологические, устанавливающие соответствия скоростным, энергетическим, зрительным и другим функциональным возможностям

4) психологические, характеризующие соответствия закрепленным и формируемым навыкам и возможностям восприятия памяти и мышления

5) эстетические, используемые для определения соответствиям эстетическим потребностям человека и реализуемые в художественно-конструкторских решениях рабочих мест (орудий труда) и производственной среды.

Гигиена труда изучает влияние производственной среды на здоровье работающих. Для разработки рекомендаций, исключающих возможность неблагоприятного воздействия факторов внешней среды на работающих, необходимо тщательно изучить особенности технологического процесса, санитарно-гигиенические условия труда.

Физиология труда изучает изменения, происходящие в организме работающего под влиянием трудового процесса и внешней среды. Важнейшими задачами физиологии труда являются разработка наиболее рациональных трудовых приемов, обеспечивающих сохранение работоспособности и предупреждение утомления, а следовательно, повышение производительности труда, научное обоснование и рекомендации режимов труда и отдыха работающих и т.д.

Психология труда изучает психологические особенности различных видов трудовой деятельности человека. На основе изучения закономерностей психологической деятельности человека разрабатываются меры, способствующие улучшению трудового процесса.

Психология труда занимается вопросами оценки профессиональной пригодности работника, формирование профессиональной направленности, рационализации рабочей обстановки и рабочих мест, методов труда и обучения, взаимоотношений между людьми в процессе труда и др. Она тесно связана с гигиеной труда, врачебно- трудовой экспертизой, педагогикой и др.

Понижение работоспособности, возникающее в результате выполнения работы, называется утомлением. Это физиологическое состояние организма, характеризующееся рядом объективных признаков - изменением количества эритроцитов, лейкоцитов, гемоглобина, уменьшением содержания сахара в крови, субъективными признаками - нежеланием продолжать работу, усталостью и тому подобное.

Появление и развитие утомляемости связано с функциональными изменениями, возникающими в процессе работы в центральной нервной системе, с тормозными процессами в коре головного мозга.

В борьбе с утомляемостью большое значение имеют:

-физиологическая рационализация трудового процесса, которая включает разработку системы мер, касающихся экономии движений при работе, более равномерного распределения нагрузки между различными мышечными группами тела человека и др.;

-построение физиологически обоснованного режима труда и отдыха, т.е. рациональной системы чередования периодов работы и перерывов между ними. Наряду с пассивным отдыхом для предупреждения утомления в процессе труда применяют физические упражнения: производственную гимнастику, физкультурные паузы. Проводят их перед работой и в течение рабочего дня от одного до трех раз. Комплекс упражнений необходимо периодически изменять, так как в противном случае он перестанет служить фактором, предупреждающим утомление.

На работоспособность человека влияют и неблагоприятные физические факторы внешней среды. К ним относятся микроклиматические условия. Наиболее часто изменение микроклимата в помещениях вызываются изменением температуры. Температуру рабочих помещений рекомендуется регулировать в зависимости от времени года. Работоспособность человека зависит, кроме того, от влажности и скорости движения воздуха, атмосферного давления, состава воздуха в помещениях, уровня шума, освещенности, окраски оборудования, помещений. Эстетика производства является составной частью культуры производства, т.е. комплекса мер по организации труда, направленных на создание благоприятной рабочей обстановки. Культура производства достигается правильной организацией рабочих процессов и отношений между работающими, благоустройством рабочих мест, эстетическим преобразованием среды [10].

Для создания наиболее благоприятных условий труда необходимо учитывать психофизиологические особенности человека, а также общую гигиеническую обстановку.

Большое значение в создании оптимальных условий имеют:

-складывающиеся в коллективе взаимоотношения между работниками;

-планировка рабочего места;

Рассмотрим подробнее мероприятия, обеспечивающие комфортные условия труда.

5.3 Установления микроклимата производственной среды в лабораториях использующих ЭВМ

Под метеорологическими условиями производственной сферы согласно ГОСТ 12.1.005-88 понимают сочетания температуры, относительно влажности и скорости движения воздуха. Перечисленные параметры оказывают огромное влияние на функциональную деятельность человека, его самочувствие и здоровье и на надежность работы средств вычислительной техники. Эти микроклиматические факторы влияют на каждый в отдельности, так и в различных сочетаниях. В производственных помещениях характерно суммарное действие факторов.

На микроклимат в помещении влияют источники теплоты: ЭВМ и вспомогательное оборудование, приборы освещения, электродвигатели, обслуживающий персонал. Кроме того, на суммарные тепловыделения помещений оказывают влияние внешние источники поступлений теплоты.

Для оценки метеорологических условий в производственных помещениях производят измерения температуры, влажности, скорости движения воздуха, интенсивности теплового излучения. Результаты измерений сравниваются с нормативами.

Таблица 5. 2 - Оптимальные нормы микроклимата для помещений с ВДТ и ПЭВМ

Период года	Категория работ	Температура воздуха, град. С не более	Относительная влажность воздуха, %	Скорость движения воздуха, м/с
Холодный	легкая - 1а	22 - 24	40 - 60	0.1
	легкая - 1б	21 - 23	40 - 60	0.1
Теплый	легкая - 1а	23 - 25	40 - 60	0.1
	легкая - 1б	22 - 24	40 - 60	0.2

На работу оборудования большое влияние оказывает также относительная влажность воздуха. При влажности воздуха до 40% становится хрупкой основа магнитной ленты, повышается износ магнитных головок, выходит из строя изоляция проводов. При относительной влажности воздуха более 75-80% снижается сопротивление изоляции, изменяются рабочие характеристики элементов ЭВМ.

Измерения параметров микроклимата помещений осуществляют с помощью приборов непрерывного и периодического измерения. Измерения проводят не менее пяти раз в смену на высоте 1.5 м от пола. К приборам непрерывного измерения относят термографы, гигрографы и барографы, которые измеряют и непрерывно записывают соответственно температуру, влажность и давление воздуха. К приборам периодического измерения параметров микроклимата относят ртутные термометры, психометры, анемометры, кататермометры, актинометры.

Для кондиционирования воздуха обычно применяют бытовые кондиционеры типа БК-1500, БК-2500, БК-2000Р.

С целью создания нормальных условий работы персонала установлены параметры производственного микроклимата (ГОСТ 12.1.005-88). Эти нормы определяют оптимальные и допустимые величины температуры, влажности и скорости движения воздуха:

а) рабочие диапазоны:

-температура воздуха от 5є-10є до 35є-40єС;

-относительная влажность 40-90%

б) в машинном зале необходимо поддерживать (для всех климатических зон):

-температуру воздуха 20є±2є;

-относительную влажность 55±5%;

-скорость движения воздуха 0.1 м/с.

Воздух, используемый для вентиляции помещения, должен очищаться от пыли. В помещениях ежедневно должна проводится влажная уборка. Для повышения влажности воздуха следует использовать промышленные увлажнители.

5.4 Мероприятия по борьбе с шумом и вибрациями

Шум является наиболее распространенным фактором внешней среды. Под шумом подразумевается любой неприятный или нежелательный для человека звук. Человек же воспринимает колебания 20-20000 Гц.

На рабочих местах шум создается техническими системами, кондиционерами воздуха, светильниками освещения и др. и не должен превышать 50 дБ.

Для снижения шума, создаваемого на рабочих местах внутренними источниками, а также шума, проникающего извне, следует:

-ослабить шум самих источников, предусмотреть применение в их конструкциях акустических экранов, звукоизолирующих кожухов;

-снизить эффект суммарного воздействия на рабочие места отраженных - звуковых волн за счет звукопоглощения энергии прямых звуковых волн поверхностями ограждающих конструкций;

-применять рациональную планировку оборудования

-использовать архитектурно-планировочные и технологические решения, направленные на изоляцию источников шума.

Для измерения уровня шума применяются отечественные и зарубежные шумомеры и анализаторы. Снижение шума, проникающего извне, получается путем увеличения звукоизоляции ограждающих конструкций. Для снижения уровня шума, потолки и стены облицовываются звукопоглощающим материалом с максимальным коэффициентом звукопоглощения в области частот 63-800 Гц.

Иногда применяются гидрозащитные экраны, действия которых основано на отражении или поглощении падающих на него звуковых воли. При необходимости применяются наушники, шлемы.

5.5 Освещение рабочего места

Производственное освещение бывает трех видов: естественное -- за счет солнечного излучения (прямого и диффузно-рассеянного света небесного купола); искусственное -- за счет источников искусственного света; совмещенное.

Естественное освещение имеет положительные и отрицательные стороны. Более благоприятный спектральный состав (наличие ультрафиолетовых лучей), высокая диффузность (рассеянность) света способствуют улучшению зрительных условий работы. В то же время при естественном освещении освещенность во времени и пространстве непостоянна, зависит от погодных условий, возможно тенеобразование, ослепление при ярком солнечном свете.

Искусственное освещение помогает избежать многих недостатков, характерных для естественного освещения, и обеспечить оптимальный световой режим. Однако условия гигиены труда требуют максимального использования естественного освещения, так как солнечный свет оказывает оздоровляющее действие на организм. Он не используется в тех помещениях, где это противопоказано технологическими условиями производства, где хранятся светочувствительные химикаты, материалы или изделия.

При отсутствии достаточного освещения в светлое время суток используют и искусственный свет. Такое освещение называется совмещенным. Оно предусмотрено существующими нормами.

По конструктивному исполнению искусственное освещение может быть общим и комбинированным. При общем освещении все рабочие места освещаются от общей осветительной установки. Комбинированное освещение наряду с общим включает местное освещение, сосредотачивающее световой поток непосредственно на рабочих местах. Освещенность, создаваемая светильниками общего освещения в системе комбинированного, должна составлять 10% нормируемой, но не менее 150 лк. для люминесцентных и 50 лк. для ламп накаливания.

Применение одного местного освещения не допускается, так как вызывает необходимость частой переадаптации зрения, создает глубокие и резкие тени, опасность травмирования и другие неблагоприятные факторы.

Для общего освещения помещений следует использовать, главным образом, люминесцентные лампы, что обуславливается следующими их достоинствами: высокой световой отдачей (до 75 лм/Вт и более); продолжительным сроком службы (до 10000 ч.); малой яркостью светящейся поверхности; спектральным составом излучаемого света.

Светильники с люминесцентными лампами размещаются рядами, желательно параллельно стене с окнами, что позволяет производить их последовательное отключение (включение) в зависимости от величины естественной освещенности. Кроме того, направление рядов светильников должно совпадать с основным направлением линии зрения. при поперечном расположении светильников в поле зрения попадает много чередующихся полос света и тени, что раздражающе действует на глаза.

Необходимо помнить, что запрещается применять для окон темные занавески, перегоревшие лампы должны меняться своевременно.

Наиболее приемлемыми являются люминесцентные лампы ЛБ (белого света) и ЛТБ (тепло-белого света) мощностью 20, 40, 80 Вт.

В качестве светильников используются установки с преимущественно отраженным или рассеянным светораспределителем типа УСП-5-2*40, УСП-35-2*40, ЛВООЗ-2*4-002.

Освещенность рабочих мест во многом зависит от отражающего света. Поэтому окраску помещений целесообразно выбирать в соответствии с цветом технических средств. Освещение помещений и оборудования должно быть мягким, без блеска, окраска интерьера помещений должна быть спокойной для визуального восприятия. Неподвижные площади следует окрашивать в более строгие тона, подвижные - в яркие, потолки - в строгие [11].

В настоящее время нормы освещенности установлены СНиП 23-05-95. По этим нормам предусматривается преимущественное использование люминесцентных ламп. Если использование этих ламп по технико-экономическим причинам не возможно или нецелесообразно, то разрешается применять лампы накаливания.

Рассмотрим подробнее расчет освещения помещения лаборатории.

5.6 Расчет освещения

Помещение, где находится лаборатория ТАУ, имеет естественное и искусственное освещение, отвечающее требования СНиП 23-05-95 “Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования.”

Применяемое искусственное освещение - верхнее. По конструктивному исполнению - общее. Светильники общего освещения располагаются под потолком помещения.

Пульсация освещения не превышает 10 %.

Коэффициент отражения рабочей поверхности и световой отделки интерьера следующий:

-потолка Р=0.7;

-стен Р=0.5;

-пола Р= 0.3.

В соответствии с [11] коэффициент запаса выбирается К=1.5.

Расчет искусственного освещения можно произвести 4 методами:

-точечным;

-по удельной мощности;

-графическим;

-методом коэффициента использования светового потока.

Расчет искусственного освещения производственного помещения сводится к определению необходимой освещенности на рабочем месте при выбранном типе, количестве и расположений светильников и мощности всей осветительной установки при известной мощности одной лампы.

Воспользуемся последним методом [6]. Метод коэффициента использования предназначен для расчета общего равномерного освещения горизонтальных поверхностей при отсутствии крупных затемняющих предметов. При расчете по этому методу учитывается как прямой, так и отраженный свет.

1) Выбираются источники света - светильники с люминесцентными лампами. Установка - ЛП001 (2 лампы по 40 Вт); размеры - 1313*255*118 (мм).

2) Световой поток одного светильника рассчитываем по формуле:

,

где = 300 лк - минимальная нормируемая освещенность разряда работ;

= 1.5 - коэффициент запаса;

= 1.1 - коэффициент неравномерности освещения;

- площадь помещения;

8 - число светильников;

з - коэффициент использования светового потока ;

= 0.7 - коэффициент отражения потолка;

=0.5 - коэффициент отражения стен;

- индекс помещения;

= 10 м - длина помещения;

= 6 м - ширина помещения;

= расчетная высота;

Вычислим расчетную высоту:

= 3.3 м - высота помещения;

=0.118 м - расстояние светильников от перекрытия (“свес”);

= 3.182 м - высота светильников над полом;

= 0.74 м - высота расчетной поверхности над полом;

=2.442 м

;

находим =0.6.

В помещении установлены 4 продольных ряда светильников ЛП001 2*40 с лампами ЛБ.

Рассчитываем световой поток одного светильника:

лм

У нас светильники с лампами ЛБ40 с общим потоком 6240 лм (номинальный световой поток одной лампы ЛБ40 = 3120 лм), то в нашем случае отклонение потока выбранной лампы (лм) от расчетной (лм) составляет + 0.85%, что удовлетворяет требованиям: -10%; +20%.

3) Рассчитываем фактическое значение минимальной освещенности на рабочем месте с учетом выбранной лампы

.

4) Определяем мощность осветительной установки

,

где - мощность одной лампы.

.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной дипломной работе был проведен анализ САУ и дана классификация по различным признакам. С применением математического анализа аппарата выполнен расчет ОСАУ для различных объектов управления второго порядка.

Разработаны модели для каждого типа ОСАУ. Проведено исследование ОСАУ с применением программного продукта "20-sim Pro 2.3". Для каждой из 3-х видов ОСАУ сняты переходные и импульсные характеристики для использования результатов работы в учебном процессе составлены варианты заданий.

Дано экономическое обоснование целесообразности применения ОСАУ. Затронуты аспекты безопасности эксплуатации и экологии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Александровский Н.М. Элементы теории оптимальных систем автоматического управления. - М., Наука. 1965, 128 с.

2. Аркулян Э.К., Пикина Г.А. Оптимизация и оптимальное управление. - М.: МЭИ, 2003, 356 с.: ил.

3. Бесекерский В.А., Герасимов. А.Н. Сборник задач по теории автоматического управления . -М., Наука, 1972, 588 с.

4. Иванов В.А. Теория оптимальных систем автоматического управления. - М. Наука, 1981, 336 с.

5. Консон А.С. Экономические расчеты в приборостроении: Учеб. пособие для приборосроит. спец. вузов. -М.: Высшая школа,1983. -160 с.

6. Охрана труда: Метод. указ. расчетам по промсанитарии. -Ч: Чув.ГУ, 1989.