控制器设计

控制器是将人的输出信息传递给机器的一种工具。按人输出信息的部位和控制器功能的不同，可将控制器分成许多种。根据输出信息部位分，常见者有“手动”和“脚动”两类；根据功能，常见者有“离散控制型”(如波段开关、拇指轮、手压按钮、脚压按钮和钮子开关等)和“连续控制型”(如旋钮、手轮、曲柄、脚蹬和操纵杆等)两类。
在设计和选择控制器时，首先必须了解人的心理、生理特点和信息输出特征。其中，人手、脚运动的方向、速度、范围、力量和位移感受能力等最为重要。脚的运动强而有力，但与手相比，其速度和精度较差。
根据人的信息输出特征，只能确定控制器设计的一般要求。为确保人信息输出的准确性和可靠性，还必须考虑下列五个因素。
(1) 控制-显示比(C/D值):指控制器的运动位移与显示器标记的运动位移之比。此项比值只适用于连续控制。熟练的操作者（飞行员）为执行一个控制动作，必须完成行程调节和精细调节两种运动。前者使控制器迅速接近所需位置，后者使控制器正确安放在所需位置。C/D值增加，则行程调节时间增加，但精细调节时间下降；C/D值减小，则出现相反情况。因此，应该选择最佳的C/D值，使飞行员调节控制器动作的总时间最短。
(2) 控制与显示的位移方向协调： 指控制器位移方向与显示器标记运动方向的协调一致。它能使飞行员反应时间缩短，减少换向误差，提高调节的速度和精度，并缩短学习和训练时间。当控制器位移方向与显示器标记的移动方向一致时，控制动作最准确、最快。若控制器的位移方向与被控对象（如飞机）运动位移的方向能保持一致，则尤为重要。
(3) 控制器阻力：通常采用弹性、摩擦、粘性和惯性四种方式。不同类型的阻力有改善操作精度和速度，产生“控制感觉”和使操作平滑等功用。一定型式的阻力还可降低控制器对偶然活动、振动和加速度过载的敏感性。
(4) 控制器编码：可使飞行员易于对控制器进行辨认，以减少错误动作次数，缩短感知正确控制的时间，这样不仅能改善人机系统性能，而且能缩短飞行员的训练时间。控制器的编码方法有五种：即位置，标记，颜色，形状和大小。一般倾向于综合采用数种编码方法，以利于对控制器的辨认和区分。
(5) 预防偶然活动： 在控制器设计中，应尽量减少使用中发生偶然活动的可能性，以提高其可靠性。对可能带来严重后果的偶然活动，尤应从控制器的结构设计上设法加以消除。防止控制器偶然活动的措施有：凹槽、定位、定向、覆盖、锁定、顺序自锁和阻力等。
控制器选择的一般原则是：
❶精确设置的控制应当用手完成，要求连续用力的控制则应当用脚完成。用手完成的控制动作可以种类不一、数目较多；而用脚完成的控制动作则不能多于两个。
❷选择、定位和定向控制及其相应运动，应与显示部件、仪器单元或座舱运动协调一致。
❸如只需离散位置或数值，选择离散控制器或按钮较好。当设置量或精度要求可用有限量代表时，最好选择离散控制器。
❹如需连续精确调节或大量离散调节(通常大于24)，宜选择连续控制器，但此时需耗费更多的时间和精力。
❺全部控制器都应易于辨认，并应使其定位局部标准化。全部应急控制器和临界控制器，均可用视觉和触觉辨认。辨认信息既不妨碍控制活动，也不增加偶然活动的可能性。
❻应将功能上有关的控制器结合在一起，以减少操纵动作行程，利于顺序操作或同时操作，或节省仪表空间。例如，新型飞机上采用的复合型驾驶杆就是一个突出的例子。在此种复合杆上设有多种常用开关，飞行员的手不离开驾驶杆即能完成多种操作。控制器设计的一般原则是：
❶操作控制器所需的最大力量、速度、精度和运动范围，不应超过操作者所能达到的最大限度。
❷控制器的数目不宜过多，控制动作应尽可能简单和易于完成。控制动作的行程应尽可能短，并与精度和“感觉”要求一致。
❸控制动作应符合操作者自然动作习惯，且最为有效，不易使人疲劳。
❹控制器应有适当阻力，以减少手或脚本身重量引起偶然活动的可能性。如操作者不能凭借自身体力完成控制动作，需有助力设备时，须利用“人工感觉”系统产生阻力提示。
❺控制器应设计得合乎常规。如应急操作，通常要求对控制器使用较大力量。
❻控制器应能发出确定的位移指示，这样不仅可改善控制精度，并可及时发现故障。
❼控制器表面应作适当处理，以防止手、手指和脚打滑。
还应指出，随着计算机技术的发展，为了适应新一代飞行器的需要，目前正在探讨利用手、脚运动以外的信息输出进行控制的问题，如语声控制、眼动控制、肌电控制等，这将涉及一系列生物医学工程问题。