Обучающая подсистема для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет

Вид работы:

Дипломная (ВКР)
Предмет:

Информатика, ВТ, телекоммуникации
Язык:

Русский
,
Формат файла:
MS Word

1,61 Мб
Опубликовано:

2013-05-27

Скачать дипломную работу Читать текст online Заказать дипломную
*Помощь в написании! Посмотреть все дипломные работы

Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.

Обучающая подсистема для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Обучающая подсистема для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет

Введение

В последние десятилетия в зарубежных системах образования произошли существенные изменения, обусловленные бурным развитием научно-технического прогресса и его воздействием на все стороны жизни общества. Усиливается тенденция перехода к нетрадиционным технологиям, в которых дистанционные приемы обучения, базирующиеся на современных технологических достижениях играют основную роль. Как показывают расчеты, дистанционное образование (ДО) обходится на 50% дешевле традиционных форм.

В настоящее время ДО становится «особенно актуальным, так как именно эта система может наиболее адекватно и гибко реагировать на потребности общества и обеспечить реализацию конституционного права на образование каждого гражданина страны. ДО соответствует логике развития системы образования общества в целом. К началу этапа полного развертывания российского ДО должна располагать возможностями для обучения до 1.5 млн. человек в год по направлениям и специальностям основного высшего образования и до 2 млн. человек в год по направлениям дополнительного образования». (Концепция создания и развития единой системы дистанционного образования в России. Москва, 1995 г. ГК РФ по Высшему образованию).

То есть для Российской Федерации, с ее огромными территориями и рассредоточением населения, дистанционная форма образования представляется одним из основных достижении. В России из 67 161 школы лишь 20 623 (30%) расположены в городах, а 46 538 (70%) - в сельской местности. Молодежь 1 868 районов страны не имеет возможности получить образование, отвечающее отечественным и мировым стандартам.

Стратегическая цель ДО - обеспечить право получения образования любого уровня там, где студент живет или работает. Социальный аспект развития ДО отражает потребности современной цивилизации в массовой форме обучения. Мировоззренческий аспект связан с необходимостью смены стереотипов на образование как устоявшуюся и вечно неизменную систему. Теоретико-методологический аспект обусловлен необходимостью концептуального обоснования этой пока еще новой формы обучения. Юридический аспект отражает необходимость адекватного правового сопровождения данной формы образования в России и странах СНГ. В финансово-экономическом аспекте особенно важен вопрос финансирования инновационных технологий. Речь идет не о дополнительных бюджетных средствах, а о доступных кредитах, гарантиях и т.д. Как показал практический опыт, новые информационные технологии вполне способны к самофинансированию за счет платности образовательных услуг. Дидактический аспект отражает педагогические основы этой формы обучения. Главное здесь - вопросы подготовки педагогических кадров, способных плодотворно и с высоким качеством реализовать концепцию дистанционного обучения в регионах. Технологический аспект обусловлен прорывом в коммуникационных средствах, позволяющих реализовать передовые методы обучения на индивидуально-вариативной основе.

Центральное место в дистанционном образовании занимают компьютерные технологии и компьютерные учебники.

Необходимо создавать новые компьютерные учебники, учебные пособия для ДО. Это огромная по своим трудозатратам работа. Кроме того, для того, чтобы она была эффективной, требуется высочайшая квалификация.

Компьютерный учебник (учебное пособие) как и обычный учебник должен охватывать все основные вопросы программы данной дисциплины. Причем при строго научном содержании он должен учитывать уже накопленные знания учащихся. По сравнению с обычным учебником к нему предъявляется ряд дополнительный требований: текст должен быть квантован, т.е. разбит на страницы, охватывающие законченные смысловые порции; должна быть обеспечена возможность вызывать на экран любую страницу в любом порядке; текст должен быть красочно иллюстрирован, цветом выделены ключевые слова, основные законы, формулы, графики, иллюстрации, использована мультипликация и т.п.; на странице текста по желанию пользователя должны накладываться «окна» с вопросами и простейшими задачами, поясняющие и углубляющие текстовый материал и активизирующие обучаемого. По желанию обучаемого в целях самоконтроля могут вызываться ответы на поставленные вопросы и задачи; графики, диаграммы, иллюстрации должны быть красочными и представляться в динамике, т.е. их построение в целях наглядности должно показываться протяженным во времени; в целях оживления текста, привлечения внимания обучаемого желательно введение иллюстраций типа мультипликаций.

Меню учебника (учебного пособия), должно включать блок теорий, вопросы для самопроверки и ответов к ним, тестирующих вопросов и задач для расчетов.

Современные информационные технологии образования дадут новый импульс и существенно повысят качество непрерывного заочного образования, самообразования, повышение квалификации и переподготовки кадров. Создание и использование интеллектуальных обучающих систем (электронных учебников, справочников, энциклопедий, лабораторных имитаторов, компьютерных средств, тест контроля и пр.) на базе гипертекстовых систем обработки информации и баз знаний мультимедиа технологии позволит проводить программируемое обучение в диалоговом режиме на расстоянии, применять в обучении математические модели изучаемых явлений и устройств, автоматизировать эксперимент, обработку результатов, широко использовать машинную графику для повышения наглядности обучения. При использовании компьютерной технологии акцент в обучении переносится в сторону самостоятельной работы, которая, как известно, является высшей формой деятельности учащегося.

Поскольку технические средства построения систем обучения на расстоянии (компьютерные сети, модемы, серверы и т.д.) в настоящее время уже существует, технические вопросы более не являются проблемой. Существенным препятствием является отсутствие качественные приложений учебных автоматизированных обучающих систем (АОС) с широким использованием мультимедиа технологии, что требует совместных усилий предметников, разработчиков программного обеспечения, графических дизайнеров, радиоинженеров. Успех проектирования обучающих сред во многом зависит от педагогических концепций, воображения и идей, стоящих за применением ИОС. Необходимо разрабатывать новые педагогические идеи, организационные проекты, чтобы продемонстрировать богатые потенциальные возможности ПК.

В описанных контекстах Россия получает исторический шанс реализовать свой богатейший интеллектуальный потенциал высокотехнологичными средствами ДО. Речь идет о формировании системы отечественного ДО, претендующей на передовую роль в мире. Ее основу должны составить научно обоснованные средства обучения, качественные дидактические продукты, последние достижения информационных технологий. В этом случае ДО выполнит свою прогрессивную роль не только в России, но и в дружественном нам ближнем зарубежье.

В связи со всем, описанная в данном дипломном проекте обучающая Интернет-подсистема для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости, становится весьма актуальной. С ее помощью можно обучать студентов, контролировать их знания и проводить лабораторные работы на расстоянии. В этой работе для примера в качестве базы знаний была выбрана база знаний по частотным характеристикам САУ и критериям их устойчивости. Но к данной Интернет - подсистеме можно подключить любую базу знаний, что позволит применять подсистему в различных учебных программах.

1. Специальная часть

В специальной части приводится исчерпывающая информация по проектированию и разработке Обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет. Приводятся так же сведения о структуре данных системы, алгоритмы программ, структура подсистемы и проводится обоснование выбора программных и технических средств:

1 описание предметной области;

2 обоснование выбора программных и инструментальных средств для реализации Интернет - подсистемы;

3 описание структуры Обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет с помощью частотных критериев устойчивости;

4 описание структуры меню Обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет с помощью частотных критериев устойчивости;

5 методика проведения обучения по исследования устойчивости замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости;

6 методика допуска к лабораторному исследованию;

7 методика лабораторного исследования в Интернет - подсистеме устойчивости замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости;

8 алгоритмическое обеспечение Интернет - подсистемы по частотным характеристикам и критериям устойчивости САУ;

9 инструкции пользователя и разработчика Обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет.

1.1 Описание предметной области по характеристикам замкнутых САУ

Частотные и логарифмические характеристики САУ

Частотными характеристиками обыкновенной линейной САУ (рис. 1.1) называется Формулы и графики, характеризующие реакцию системы на гармоническое входное воздействие в установившемся режиме.

Рис. 1.1

Гармоническое входное воздействие - это функция времени, которая может быть представлена в виде линейных комбинаций функций и . Если на вход системы подать гармоническое воздействие

,(1)

где - амплитуда воздействия; - угловая частота воздействия, то на выходе системы в установившемся режиме будет также гармоническая функция той же частоты , но в общем случае сдвинутая по фазе относительно входной величины на угол , т.е.

,(2)

где - амплитуда выходной величины; - сдвиг фаз между выходной и входной величинами.

Для наглядного представления частотных свойств САУ используются следующие частотные характеристики:

) Амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧX) - это кривая, описываемая концом вектора на комплексной плоскости U-V (годограф вектора ) при изменении частоты входного воздействия от -¥ до +¥ (рис. 1.2). Длина вектора, проведенного из начала координат в точку АФЧК, соответствующую какой-либо выбранной частоте , равна модулю ЧПФ.

Угол между этим вектором и положительным направлением вещественной оси равен аргументу или фазе ЧПФ. АФЧХ соответствует выражение (5).


Рис. 1.2.	Рис. 1.3	Рис. 1.4

амплитудная частотная характеристика (ЯЧХ) - это кривая
изменения отношения амплитуд выходной и входной величин в зависимости от частоты (рис. 1.3). Она показывает, как пропускает САУ сигнал различной частоты. АЧХ соответствует выражение (8).

Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) - это кривая изменения сдвига фаз выходной величины по отношению к входной в зависимости от частоты (рис. 1.4). Она показывает фазовые сдвиги, вносимые САУ на различных частотах. ФЧХ соответствует выражение (9).

Вещественная частотная характеристика (ВЧК) - это кривая, которой соответствует вещественная составляющая ЧПФ (рис. 1.5) и выражение (6).

Мнимая частотная характеристика (МЧХ) - это кривая, которой соответствует мнимая составляющая ЧПФ (рис. 1.6) и выражение (7).


Рис. 1.5. Вещественная частотная характеристика - ВЧХ	Рис. 1.6. Мнимая частотная характеристика - МЧХ

Кривые АФЧХ, ФЧХ, ВЧХ, МЧХ обладают свойством симметрии. Поэтому по результатам вычисления кривых для положительных частот можно построить кривые для всего диапазона частот , так как , , , . В связи с этим исследование звеньев (систем) можно проводить только в положительном диапазоне частот, тем более, что отрицательные частоты реально не существуют.

Исследование САУ значительно упрощается при использовании логарифмических частотных характеристик.

Логарифмическая амплитудная частотная характеристика (ЛАЧХ) - это кривая (рис. 1.7), построенная в логарифмическом масштабе частот в соответствии с выражением:

(10)

Единицей измерения величины , которая откладывается по оси ординат, является децибел. По оси абсцисс откладывается частота в логарифмическом масштабе . Равномерной единицей по оси абсцисс является декада - это любой отрезок, на котором значение частоты увеличивается в 10 раз.

Рис. 1.7. Логарифмическая амплитудная частотная характеристика.

Точка пересечения ЛАЧХ с осью абсцисс называется частотой среза . Она определяется из условия

или (11)

Ось абсцисс () соответствует значению =l, т.е. прохождению амплитуды сигнала через САУ без изменения. Верхняя полуплоскость ЛАЧХ соответствует значениям , т.е. усилению амплитуды, а нижняя полуплоскость - значениям , т.е. ослаблению амплитуды. ЛАЧХ может быть приближенно построена в виде асимптотической ЛАЧХ, представляющей собой совокупность отрезков прямых линий (асимптот) с наклонами, кратными величине 20 дб/дек.

Логарифмическая фазовая частотная характеристика (ЛФЧХ) - это кривая ФЧХ , построенная в логарифмическом масштабе частот (рис. 8). Как и при построении ЛАЧХ по оси абсцисс откладывают значение частоты в логарифмическом масштабе , а записывают действительное значение частоты. По оси ординат откладывают значении функции . Таким образом, ЛФЧХ - это зависимость от логарифма частоты.

Рис. 1.8. Логарифмическая фазовая частотная характеристика

Частотные показатели (оценки) качества САУ

Частотными называются оценки качества, позволяющие по виду частотных характеристик замкнутой САУ количественно оценить запас устойчивости и быстродействие системы.

Величина запаса устойчивости показывает, насколько далеко находится САУ от колебательной границы устойчивости, за которой в системе возникают незатухающие автоколебания. Под быстродействием САУ понимается быстрота реагирования САУ на появление управляющих и возмущающих воздействий.

К числу основных частотных оценок качества САУ относятся:

запас устойчивости по амплитуде (или по модулю) (в линейном
масштабе) и (в логарифмическом масштабе);

запас устойчивости по фазе ;

показатель колебательности ;

резонансная частота ;

частота среза ;

) частота , соответствующая полосе пропускания замкнутой системы.

Устойчивость замкнутой САУ зависит от расположения кривой АФЧХ разомкнутой системы относительно критической точки с координатами. Чем ближе эта кривая проходит от критической точки, тем ближе замкнутая САУ к границе устойчивости. Поэтому запас устойчивости системы можно определять по удалению АФЧХ, разомкнутой системы от критической точки . Для этой цели вводятся понятия запаса устойчивости по амплитуде (по модулю) и запаса устойчивости по фазе.

Запасом устойчивости по амплитуде называют минимальный отрезок действительной оси, характеризующий расстояние между критической точкой и ближайшей к ней точкой пересечения кривой АФЧХ разомкнутой системы с действительной осью (рис. 1.9).

Запасом устойчивости по фазе называют минимальный угол, образуемый радиусом, проходящим через точку пересечения кривой AФЧХ разомкнутой системы с окружностью единичного радиуса с центром в начале координат, и отрицательной частью действительной оси (рис. 1.9).


Рис. 1.9. Запас устойчивости по амплитудеРис. 1.10. Запас устойчивости по фазе

На рис. 1.10. показано, как по логарифмическим частотным характеристикам разомкнутой системы можно найти запас устойчивости по амплитуде, выраженный в децибелах

дБ (13)

и запас устойчивости по фазе

,(14)

где - значение ФЧХ разомкнутой системы при частоте среза .

-(15)

угол, соответствующий модулю, равному единице

Для рассматриваемых характеристик можно, говорить и о запасах устойчивости по амплитуде и , соответствующих частотам и .

Система обладает необходимым запасом устойчивости, если она, удовлетворяя условию устойчивости, имеет значения модуля вектора , отличающиеся от единицы не менее чем на заданную величину , и фазу, отличающуюся от -180° не менее чем на величину при частоте среза . По заданным значениям запаса устойчивости по амплитуде и запаса устойчивости по фазе может быть построена запретная область, в которую не должна заходить кривая АФЧХ разомкнутой САУ, обладающей требуемыми запасами устойчивости (рис. 1.11)


Рис. 1.11.	Рис. 1.12.

Запас устойчивости системы также можно оценить по показатели колебательности. Показателем колебательности называется максимальное значение ординаты АЧХ замкнутой системы при начальной ординате, равной единице, т.е. относительная высота резонансного пика АЧХ (рис. 1.12)

(16)

По заданному значению показателя колебательности , обеспечивающему требуемый запас устойчивости САУ, может быть построена запретная область в виде окружности с радиусом R и с центром, смещенным влево от начала координат на величину C, которая охватывает точку и внутрь которой не должна заходить кривая AФЧХ разомкнутой системы (рис, 1.13).

(17)
(18)

Чем меньше запас устойчивости, тем больше склонность системы к колебаниям и тем выше резонансный пик АЧХ замкнутой САУ. Считается, что в хорошо демпфированных системах запас устойчивости по амплитуде составляет примерно 6-20 дб, запас устойчивости по фазе - около 30° - 60°, а показатель колебательности не должен превосходить значений 1,1-1,5.

Рис. 1.13.

Быстродействие САУ количественно характеризуется следующими оценками качества, определяемыми по АЧХ замкнутой системы при начальной ординате, равной единице (рис. 1.12):

1) - резонансная частота, соответствующая резонансному пику АЧХ;

) - частота реза, соответствующая условию

(19)

3) - частота, соответствующая полосе пропускания замкнутой системы и определяемая из условия

,(20)

где использовано обозначение .

Допустимые значения этих характерных частот, как и соответствующая им допустимая длительность переходного процесса , могут сильно меняться в зависимости от типа и назначения САУ

Оценка устойчивости САУ по ее частотным и логарифмическим частотным характеристикам

Понятие устойчивости САУ связано со способностью системы возвращаться в состояние равновесия после исчезновения внешних сил, которые вывели ее из этого состояния.

Оценка устойчивости САУ производится по алгебраическим или частотным критериям устойчивости, описанным в [1,2,3]. К частотным критериям устойчивости относятся:

1) критерий устойчивости Михайлова;

2) критерий устойчивости Найквиста;

3) оценка устойчивости САУ по ее ЛЧХ.

Если в характеристический полином замкнутой САУ

(21)

где , - полиномы числителя и знаменателя передаточной функции разомкнутой системы , подставить значение , то получим характеристический комплекс.

(22)

где его вещественная и мнимая части определяются как:

(23)
(24)

а функции и представляют собой модуль и аргумент (фазу) характеристического комплекса

При изменении частоты от 0 до ¥ вектор из комплексной плоскости X-Y опишет своим концом кривую (годограф вектора ), называемую кривой Михайлова (рис. 1.14).

Критерий устойчивости Михайлова формулируется таким образом:

Для устойчивости линейной САУ n-го порядка необходимо и достаточно, чтобы кривая Михайлова при изменении частоты от 0 до бесконечности проходила последовательно n квадрантов в направлении против часовой стрелки, окружая начало координат, причем ее конец должен уходить в бесконечность в том квадранте комплексной плоскости X-Y, номер которого равен степени характеристического уравнения n.

Рис. 1.14.

Критерий устойчивости Найквиста в общем случав формулируется следующим образом: - для устойчивости замкнутой САУ необходимо и достаточно, чтобы разность между числами положительных (сверху вниз) и отрицательных (снизу вверх) переходов AФЧХ разомкнутой системы через ось абсцисс левее точки при изменении частоты и от 0 до µ была равна , где k - число корней характеристического уравнения разомкнутой системы с положительной вещественной частью. При этом начальная точка характеристики на оси абсцисс левее точки считается как половина перехода. Для систем, находящихся в разомкнутом состоянии на границе устойчивости, т.е. имеющих n нулевых корней характеристического уравнения, число k считается равным нулю, а АФЧX берется с дополнением в бесконечности (рис. 1.15, 1.16, 1.17).


Рис. 15.	Рис. 16.

Рис. 1.17.

На основании критерия устойчивости Найквиста могут быть сформулированы требования, которым должны удовлетворять логарифмические частотные характеристики разомкнутой системы для того, чтобы она была устойчива в замкнутом состоянии. Это связано с тем, что в точках пересечения АФЧХ отрезка ЛАЧХ положительна, а ЛФЧХ пересекает прямую (-180°) снизу вверх (положительный перевод) или сверху вниз (отрицательный переход).

Требования к ЛАЧХ и ЛФЧХ в общем случае формулируются следующим образом: для устойчивости замкнутой САР необходимо и достаточно, чтобы разность между числами положительных и отрицательных переходов ЛФЧХ разомкнутой системы через прямую (-180°) при тех значениях частоты , для которых ЛАЧХ разомкнутой системы положительна, была равна , где k - число корней характеристического уравнения разомкнутой системы с положительной вещественной частью. При этом начало ЛФЧХ в бесконечно удаленной точке =0 на прямой (-180°) считается за половину перехода. В случае астатических систем (n¹0) при подсчете точек пересечения ЛФЧХ с прямой (-180°) надо иметь в виду, что если начало ЛФЧХ лежит ниже прямой (-180°) (что соответствует АФЧХ на рис, 16), то в число отрицательных переходов надо включать бесконечно удаленную влево точку =0. (рис 1.18)

Рис. 1.18.

.2 Обоснование выбора программных и технических средств для реализации Интернет - подсистемы

Основными требованиями, предъявляемыми к программным средствам, предназначенным для реализации автоматизированных подсистем обучения и контроля знаний, являются:

· стоимость;

· мобильность (возможность использования на различных компьютерах);

· сопоставимость времени, потраченного на изучение данного продукта и способов работы с ним и времени для достижения конечного результата;

· возможность использования в дальнейшем.

Также при разработке АОС интернет-систем перед программистом встает несколько специфических задач, связанных с тем, что это активная диалоговая система, постоянно взаимодействующая с пользователем через интернет-браузер в режиме on-line. К основным таким задачам относятся:

· оптимизация графических файлов под интернет. Для этого требуется использовать специальный набор графических редакторов;

· создание логически спроектированного интернет-ресурса, позволяющего управлять работой программы. Этот ресурс создается при помощи гипертекстового языка разметки HTML, языка обработки сценариев PHP и объектно-ориентированного языка javascript,

Популярная технология создания переносимых Web - приложений, предполагает применение так называемых серверных сценариев РНР. Аббревиатура РНР расшифровывается рекурсивно как РНР Hypertext Preprocessor, что означает «препроцессор гипертекста РНР». Аббревиатуру РНР расшифровывают и по-другому - персональные домашние странички (Personal Home Page, PHP).

Препроцессор РНР был создан в 1994 году программистом по имени Rasmus Lerdorf, который хотел таким образом всего - навсего отслеживать посетителей домашней Web - странички, содержащей резюме программиста. Через год РНР стал доступен разработчикам Web - приложений под названием Personal Home Page Tools, что можно перевести как «инструментарий для создания персональных домашних страничек».

Первые версии РНР содержали довольно простой интерпретатор серверных сценариев, облегчающий создание таких непременных атрибутов домашних Web - страничек, как счетчики посещений и гостевые книги. Однако в середине 1995 года РНР был дополнен средствами интерпретации данных форм HTML, а также интерфейсом к СУБД mySQL. В результате РНР стал пригоден для создания активных Web - приложений, интегрированных с базами данных.

В 1997 году программисты Zeev Suraski и Andi Gutmans переписали интерпретатор РНР, в результате чего на свет появился РНР версии 3, завоевавший большую популярность у разработчиков Web - приложений.

Современный интерпретатор РНР версии 4 - детище компании Zend Technologies. Он обладает высокой производительностью и может использоваться со всеми наиболее распространенными Web - серверами, в том числе:

· Apache;

· Microsoft Internet Information Server;

· Microsoft Personal Web Server;

· FHTTPD;

· Caudium;

· Netscape Web - сервер;

· OmniHTTPD;

· Oreilly Wedsite Pro;

· Xitami.

Для РНР версий 3 и 4 создано множество библиотек и программных расширений. Кроме того, интерпретатор РНР, оставаясь доступным для бесплатной загрузки из Интернета, поставляется с Web - серверами и большинством операционных систем:

· Linux;

· HP - UX;

· Solaris;

· OpenBSD;

· Mac OS X;

· Microsoft Windows 95/98/NT/2000/XP.

В рамках современных библиотек функций РНР имеются все средства, необходимые для разработки сложных Web - приложений. По удобству применения сценарии РНР ни в чем не уступают программам Perl, а кое-где даже их превосходят. Кроме того, интерпретатор РНР поставляется бесплатно с исходными текстами и доступен для всех основных компьютерных платформ.

Работает PHP следующим образом. Когда клиент направляет свой браузер по тому или иному адресу URL, этот запрос передается Web - серверу с использованием протокола передачи гипертекстовых данных НТТР. Получив запрос Web - сервер находит в своих каталогах файл нужной страницы HTML и отправляет его браузеру клиента, в окне которого страница и отображается.

В этом случае Web - сервер посылает клиенту содержимое статической страницы в неизменном виде. Поэтому данная технология не позволяет создавать динамические станицы, а только статические Web - узлы, что не допустимо для создания рассматриваемой в дипломном проекте подсистемы автоматизированного обучения и контроля знаний в среде Internet на примере однофазного трансформатора.

Что касается серверных сценариев РНР, то они встраиваются непосредственно в текст документа HTML с помощью специальных тегов. Получив от браузера запрос на отображение страницы, Web - сервер находит на ней серверные сценарии РНР и выполняет их как интерпретируемый программный код.

Перед отправкой страницы HTML клиенту этот код может вставлять в нее произвольные символы или фрагменты или полностью формировать динамические страницы «с нуля» (в том числе с применением шаблонов), а также выполнять переадресацию браузера клиента на другой адрес URL.

Для ускорения процесса создания html-ресурсов разными фирмами были разработаны программы-редакторы html-кода. Одной из профессиональных програграмм является Dreamweaver фирмы Macromedia. У этой программы есть несколько преимуществ по сравнению с остальными html-редактрорами:

· Во-первых, это WYSIWYG редактор (What You See Is What You Get) «что вижу, то печатаю», другими словами, редактор с графическим интерфейсом. Что обеспечивает удобство формирования и редактирования html-страниц.

· Во-вторых, данный редактор автоматически не вставляет лишние теги в тело html-документа, что значительно уменьшает конечный размер страницы.

· В-третьих, этот редактор совмещается с еще одной программой фирмы Macromedia - CourseBulder, которая создана специально для разработки тестов, учебных баз данных и баз знаний.

Все это открывает программисту новые возможности, позволяя производить быструю разработку и совершенствование высокоскоростных приложений в Windows под интернет.

Все графические файлы оптимизированы под интернет с помощью программы ImageReady фирмы Adobe. Это растровый графический редактор, разработанный фирмой Adobe специально для оптимизации графики под интернет.

Что касается рассматриваемой в проекте разработки, на взгляд разработчика, целесообразно сделать выбор технических средств реализации Интернет - подсистемы, ориентируясь, на те средства, которые уже имеются в наличии у потенциальных потребителей разработанного программного продукта и не требуют дополнительных затрат на его эксплуатацию.

На сегодняшний день в России подавляющая часть всех используемых персональных компьютеров составляют IBM-совместимые машины. Компьютеры этого типа имеют самое развитое программное и математическое обеспечение, и рынок компьютеров и информационных технологий постоянно пополняется новыми разработками, в том числе и разработками в области систем автоматического управления.

Кроме того, что большую роль играет парк вычислительной техники, имеющейся на кафедре, в первую очередь важно программное обеспечение, существующее в сфере обработки информации и создания баз данных

Таким образом, выбор технических средств реализации обучающей Интернет-подсистемы для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости продиктован вышеперечисленным рядом вполне объективных причин, и окончательно был сделан в пользу IBM.

Растровая графика создавалась с помощью Microsoft Paint, предоставляющим самые простейшие и в тоже время самые необходимые возможности для создания графических изображений. В некоторых случаях использовался мощный графический редактор Photoshop 7.0, который представляет собой пакет программ, позволяющий работать с растровыми изображениями. А также использовался пакет для векторной графики - CorelDraw 11.

В качестве печатающего устройства был выбран принтер HP LaserJet 1200, обеспечивающий достаточное качество печати. Для ввода графической информации использовался сканер Epson Stylus Photo 950.

С учетом вышесказанного, обучающая Интернет-подсистема для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости была разработана на языке высокого уровня PHP 5.2.4 с использованием объектно-ориентированного языка JavaScript. Кроме этого для работы с гипертекстовой разметкой HTML использовался пакет Macromedia Dreaweaver 4.0; для формирования и адаптации в интернет графических изображений был использован графический редактор Adobe Photoshop CS3.

Тестирование системы проводилось на intel-совместимом персональном компьютере семейства x86 с установленной операционной системой Windows ХР и интернет-сервером Apache версии 2.2.4 for Windows.

1.3 Разработка обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет

Рост НТП приводит к непрерывному увеличению объема знаний, которыми должны овладевать специалисты отраслей народного хозяйства, в том числе и дистанционным путем. В настоящее время в этой сфере обучения ведется интенсивный поиск новых методов и средств повышения эффективности методов и форм обучения. Один из перспективных способов обучения - это использование автоматизированных обучающих систем (АОС).

Проблема создания автоматизированных обучающих систем в целом зависит от решения следующих основных задач:

. Создание информационного обеспечения автоматизированных обучающих систем, разработка которого связана с:

решением проблемы построения информационно логического обеспечения, необходимого для создания логики процесса управления обучением в диалоговом режиме;

наполнением системы конкретными материалами.

. Разработка математического обеспечения или нахождение программных продуктов, специально предназначенных для разработки систем такого класса, при этом:

основной задачей является создание модельного обеспечения (т.е. создание модели анализа ответов обучаемого);

организация необходимых вычислений при составлении полного отчета по результатам тестирования и обучения.

. Организация алгоритмического и программного обеспечения, ведения диалога для процесса обучения.

. Создание алгоритмического обеспечения функционирования всех блоков, моделей, составляющих АОС.

. Создание программного обеспечения, связанного с выбором алгоритмического языка программирования или макроязыка конкретного пакета и написание разработанных алгоритмов обучения на выбранном языке для ввода в ЭВМ.

. Наличие технического обеспечения, которое связано с выбором технических средств, необходимых для работы подсистемы.

Разработка Обучающей под система для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет является одной из наиболее трудоемких частей диплома.

Основная задача - установление последовательности этапов переработки информации в системе, то есть создание алгоритма функционирования системы в целом, а также алгоритмов, составляющих систему блоков и модулей. При этом необходимо учитывать один из важнейших этапов создания автоматизированных систем обучения - принцип модульности, предполагающий дискретность структуры системы и ее частей. В этом случае в процессе работы с подсистемой обеспечивается возможность замены и редактирования, по мере надобности, определенных модулей. Соблюдение этого принципа придает подсистеме необходимую гибкость и подвижность в плане приспосабливаемости, расширения и обновления.

Как видно из рисунка, обучающая подсистема состоит из 7-ти основных блоков:

1. Блок управления с помощью частотных критериев устойчивости.

2. Блок обучения.

3. Блок контроля знаний.

4. Блок лабораторного исследования.

5. Блок базы знаний по частотным характеристикам замкнутой САУ и частотным показателям качества для оценки устойчивости САУ.

6. Блок управления интерфейсом.

7. Блок помощи по работе с помощью частотных критериев устойчивости.

Блок управления с помощью частотных критериев устойчивости - первый по значимости блок системы. Он занимает главное положение в структуре. Блок управления обучающей Интернет - подсистемой для лабораторного исследования выполняет все диспетчерские функции в системе, определяет последовательность вызова подпрограмм, передачи промежуточных результатов между модулями и для вывода пользователю.

Блок обучения - представляет собой иллюстрированное изложение теоретических сведений по частотным и логарифмическим частотным характеристикам замкнутой САУ и частотным показателям качества для оценки их устойчивости. В результате отбора, анализа и систематизации информации были выделены разделы необходимые для выполнения лабораторного практикума.

Для создания обучающего раздела подсистемы был использован html-редактор Macromedia Dreaweaver 4.0 и графический редактор Adobe Photoshop 6.0

Блок допуска включает в себя два различных варианта тестирования, позволяющих объективно оценить знания студентов.

Режим «Полный допуск» рассчитан на студентов, уже имеющих достаточный уровень знаний по частотным характеристикам замкнутой САУ и оценки их устойчивости с помощью частотных показателей устойчивости. Данный вариант контроля позволяет определить степень подготовленности студента по всей теме.

Студенту предлагается ответить на 21 вопрос. После каждого ответа студенту сообщается верно или неверно он ответил. В конце тестирования выставляется оценка.

Оценка считается по принципу:

«Пять» - верных ответов 90%

«Четыре» - верных ответов 75%

«Три» - верных ответов 60%

«Два» - верных ответов менее 60%

Режим «Экспресс контроль знаний» рекомендуется для допуска к лабораторной работе. Предполагается, что основные теоретические сведения студенту уже известны и оформлен конспект для выполнения лабораторной работы. В данном режиме контроля, по желанию преподавателя, студенту задается до 5 вопросов.

Установить «Количество вопросов» студент или преподаватель в разделе Настойки системы.

Тестирование в режиме «Экспресс допуск» проводится с учетом времени. На каждый ответ дается по 60 секунд. Если студент не успевает ответить в течение 60 секунд, то ответ приравнивается к неверному. В процессе тестирования студенту не сообщается верно или неверно он отвечает. Только после окончания тестирования сообщаются результаты и оценка.

В режиме тестирования для допуска к лабораторному исследованию в качестве основной формы диалога «вопрос-ответ» выбран вопрос типа multiple choice (выбор одного из нескольких). Ниже приведены вопросы и варианты ответов, примененные для допуска студентов к лабораторному исследованию устойчивости замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости.

.4. Разработка структуры меню

Меню предназначено для навигации по Обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет с помощью частотных критериев устойчивости и имеет удобную одноуровневую структуру и представлена на рис. 1.20.

Рис. 1.20. Структура меню обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет с помощью частотных критериев устойчивости с помощью частотных критериев устойчивости

1. Лекции - выдается страница с содержанием лекционного курса. При нажатии на кнопки содержания студент может получить иллюстрированный материал той или иной части лекционного курса, который может потребоваться при подготовке к выполнению лабораторной работы и тестированию.

2. Методика проведения ЛР - в этом пункте собраны общие сведения по частотным и логарифмическим частотным характеристикам разомкнутой и замкнутой САУ и частотным показателям качествам, а также порядок выполнения работы:

a. Цель работы

b. Теоретические сведения. Частотные характеристики САУ.. Частотные показатели (оценки) качества САУ.. Оценка устойчивости САУ по ее частотным и логарифмическим частотным характеристикам.. Порядок выполнения лабораторной работы. Содержание отчета

3. Режим допуска к лабораторному исследованию - включает в себя полный допуск и экспресс-допуск

3.1. Полный допуск

Отвечающему предлагается ответить на 21 вопрос по типовым динамическим звеньям САУ, их временным, частотным и логарифмическим частотным характеристикам. Этот режим рекомендуется для самоподготовки студента к выполнению лабораторного исследования.

3.2. Экспресс-допуск

Отличается от режима 3.1 тем, что обучающийся отвечает на пять вопросов, произвольно выбираемых системой из общей базы вопросов по типовым динамическим звеньям САУ, их временным, частотным и логарифмическим частотным характеристикам. Такой контроль рекомендуется для допуска студента к лабораторной работе. Тестирование в режиме «Экспресс-контроль знаний» проводится с учетом времени. На каждый ответ дается по 60 секунд. Если студент не успевает ответить в течение 60 секунд, ответ приравнивается к неверному.

В процессе тестирования студенту не сообщается верно или неверно он отвечает. Только после окончания тестирования сообщаются результаты и оценка.

4. Лабораторное исследование - состоит из трех частей:

4.1. Моделирование частотных и логарифмических частотных характеристик замкнутой САУ.

Появляется Интернет - страница, на которой студенту необходимо ввести коэффициенты передаточных функций.

4.2. Расчет частотных показателей (оценок) качества.

Появляется страница, на которой студент последовательно просматривает частотные характеристики и логарифмические частотные характеристики САУ проводит исследования зависимости от параметров передаточной функции.

4.3. Оценка устойчивости САУ с помощью частотных критериев устойчивости Параметры передаточной функции.

Появляется Интернет - страница с основными частотными оценками качества САУ.

5. Список литературы - выдается список литературы, которая может потребоваться при подготовке к выполнению лабораторной работы и тестированию.

6. О проекте - выводится страница с информацией об обучающей Интернет-подсистеме для лабораторного исследования устойчивости замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости.

.5 Разработка методики обучения в Интернет - подсистеме по исследованию устойчивости САУ

частотный эпитексиальный планарный транзистор

При разработке обучающей Обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет с помощью частотных критериев устойчивости необходимо конкретизировать содержание трех основных вопросов дидактики: «Чему учить?», «Как учить?», «Кого учить?».

Первый из них определяет цели и содержание обучения - это мы рассмотрели в п. 1.1, второй - методику обучения, третий - объект обучения: студенты.

Остановимся подробнее на втором вопросе. Разработка методики обучения сводится к выбору:

o вида управления процессом обучения (разомкнутый, замкнутый, смешанный);

o вида информационных процессов (рассеянный, направленный);

o типа и вида обучающей подпрограммы.

Процесс обучения, в ходе которого обучаемый должен приобрести заданную совокупность знаний и умений, заключается в управлении последовательностью действий, которые ведут обучаемого к заданной цели.

Выделяют следующие виды управления процессом обучения:

. Разомкнутое управление - управление познавательной деятельностью, которое осуществляется по заранее заданному алгоритму без диагностики промежуточных состояний процесса усвоения знаний.

. Замкнутое управление - предполагает постоянное слежение за процессом познавательной деятельности и его коррекцию в случае выявленных отклонений. Обязательно наличие обратной связи от обучаемого к подсистеме автоматизированного обучения и постоянного текущего контроля хода обучения.

. Смешанное управление - предполагает использование на различных этапах комбинаций замкнутого и разомкнутого видов управления.

В разработанной системе реализован подход со смешанным управлением. Для этого используются режимы «Обучение» (разомкнутое управление) и «Контроль знаний с обучением» (замкнутое управление).

Все воздействия в ходе обучения осуществляются с помощью информационных процессов (ИП). При этом различают рассеянные и направленные ИП.

В рассеянном ИП информация от источника (в нашем случае подсистемы автоматизированного обучения) направляется сразу ко всем обучаемым без учета того, воспринимают они его или нет.

В направленном ИП информация от источника направляется к конкретному обучаемому с учетом его индивидуальных особенностей.

В разрабатываемой системе применено смешанное управление с рассеянным ИП. Такая структура модели обучения, с нашей точки зрения, наиболее точно соответствовала реализации поставленной перед нами задачей.

Классификация обучающих систем

Под автоматизированной обучающей системой в настоящей работе понимается такая программно-аппаратная система, которая организует и / или поддерживает процесс формирования (корректировки, закрепления) у пользователя-ученика знаний, опыта и навыков из выбранной для изучения предметной области. В процессе обучения с применением АОС возникает необходимость в решении следующих основных задач:

. Передача знаний от системы к обучаемому.

. Репетирование, т.е. закрепление у обучаемого определенных навыков.

. Контроль знаний и представление дополнительных сведений по запросу обучаемого.

В настоящее время во всем мире ведутся активные работы по исследованию и разработке разнообразных обучающих систем и инструментария для их создания.

В нашей стране интерес к программам, направленным на повышение эффективности процесса обучения, заметно повысился в последние годы в связи с широким распространением в отечественных учебных заведениях вычислительной техники и, в том числе, персональных ЭВМ. В современных учебных заведениях используется широкий спектр программных систем. Большая часть из них посвящена изучению самих ЭВМ и навыков работы с ними (программирование, использование компьютеров для подготовки документов, работа с электронными таблицами, базами данных и прочее). Тем не менее, за последние годы произошло изменение отношения в пользу обучающих программ, применяемых при изучении не связанных с ЭВМ дисциплин.

Типы подсистем

По назначению можно выделить информационно-обучающие, контролирующие и универсальные системы. Первые предназначены для передачи обучаемым определенного объема знаний и / или умений. Вторые - для проверки знаний обучаемых. Универсальные системы выполняют как обучение, так и контроль.

По режиму работы различают однопользовательские и многопользовательские АОС. Последние базируются на сетевом программном обеспечении и оборудовании.

По особенностям реализации можно выделить аппаратные системы, для которых требуется специальное оборудование, и чисто программные системы, работающие на ЭВМ общего назначения.

По отношению к изучаемой предметной области АОС могут являться инвариантными или ориентированными на один предмет. В инвариантных системах предусматривается отделение учебных материалов от инструментальной системы (оболочки), обычно имеются средства для создания модификации учебных материалов. В отличие от них АОС, ориентированные на один предмет не имеют средств для смены наполнения. В инвариантных АОС имеется подсистема для подготовки учебных материалов (авторская подсистема).

В зависимости от особенности изменять свое поведение АОС может быть разделена на линейные, разветвленные и настраиваемые.

Линейные АОС не предполагают изменения последователь - ности применения учебных воздействий в процессе работы: линейная последовательность определяет действия системы.

Разветвленная АОС при обстоятельствах (например, после выполнения обучаемым контрольного упражнения могут изменять порядок применения учебных воздействий. Все возможные ветвления в PRG изучения материала предусмотрены набором сценариев, составленных автором учебного курса.

Настраиваемые АОС на основании имеющихся у нее педагогических знаний и анализа хода процесса обучения конкретного обучаемого способна изменять свое поведение [5]. Знания представляются в декларативной форме и выражают как специфичные для изучаемой проблемной области приемы преподавания, так и общие педагогические принципы.

По способу реализации пользовательского интерфейса могут быть выделены системы, ориентированные на текстовой и графический способ реализации. В табл. 1.1. показаны выделенные классы обучающих систем.

Анализ приведенных ранее требований к адаптивным АОС показывает, что:

а) наиболее перспективным (для реализации в будущем) являются системы, относящиеся к классам, помеченным в табл. 1.1. символом *.

б) в силу ограничений, накладываемых текущим состоянием вычислительной техники в учебных заведениях, предпочтение для обучающих систем, способных найти широкое применение в современной системе образования, следует отдать классам, выделенным в табл. 1.1 жирным шрифтом.

Табл. 1.1. Типы подсистемы

По назначению	Информационно-обучающие Контролирующие Универсальные *
По режиму работы	Однопользовательские Многопользовательские *
По особенностям реализации	Программно-аппаратные * Программные
По отношению к ПО	Инвариантные * Ориентированнные на один предмет
По способности изменять свое поведение	Линейные Разветвленные Настраиваемые *
По способу реализации пользовательского интерфейса	Текстовые Графические *

Основные виды обучающих систем

Среди используемых обучающих систем можно выделить следующие основные виды [5]:

. «Электронные учебники», подготавливаемые с использованием специализированных авторских систем. Примером авторских систем являются АДОНИС, УРОК, LINKWAY, TenCore и др. Их основу составляют текстовые и графические редакторы, позволяющие структурировать и представлять учебные материалы, включая тексты, графические. образы, упражнения и т.п. В авторских системах фрагменты сведений о ПО хранятся в специальных структурных единицах, называемых кадрами или фреймами. Набор таких кадров формируется авторами учебного курса. В кадрах могут содержаться текстовые фрагменты, иллюстрационный материал (рисунки, графики), а также контрольные упражнения. Авторами задается последовательность ознакомления пользователя-ученика с кадрами. При этом возможны ветвления в зависимости от результатов выполнения упражнений. Такая последовательность системы называется сценарием. Отдельные системы позволяют ученику самостоятельно выбирать следующий кадр из некоторого набора возможных. Следует отметить, что такие системы могут иметь достаточно сложную организацию, поддерживают различные уровни сложности предлагаемых для изучения материалов и предоставляют пользователю широкий спектр дополнительных услуг (доступ к глоссарию, вставка графических компонент, поддержка разных уровней пользователя и др.).

. Программы, предназначенные для развития у обучаемых практических навыков при решении задач из некоторой узкой предметной области. Например, решение задач школьного курса геометрии или расчет зубчатых передач в курсе деталей машин инженерного вуза.

. Системы, основанные на нелинейном представлении информации. В эту группу входят системы типа «гипермедиа». Объекты, входящие в гипер-медиа систему формируют сложную сеть (гиперсеть), отражающую структуру проблемной области. Связи в сети обычно являются типизированными. Для объекта, находящегося в узле, может задаваться специфическая информация, облегчающая его поиск.

. Адаптированные для обучения версии распространенных программных комплексов. В таких системах реализуется некоторое подмножество функций изучаемой программы, снабженное многочисленными примерами и упражнениями.

Основные роли АОС

1. Хранилище информации с обеспечением быстрого поиска требуемых сведений, обновление информации в нем может производиться более оперативно по сравнению с печатными пособиями. Информация может быть представлена в различных формах (текст, графика, видеосюжеты и т.д.)

. Как средство управления процессом обучения

. Как средство для целенаправленного отбора, дозирования и предоставления необходимых сведений обучаемому с возможностью адаптации к его особенностям и объему имеющихся знаний.

. Как средство анализа успеваемости

. Как интеллектуальный партнер обучении практических задач (приобретения практических навыков).

Методика обучения в подсистеме строится на основании разработанной структуры базы знаний предметной области по частотным характеристикам и частотным критериям устойчивости САУ. Под знаниями будем понимать совокупность сведений у индивидуума, общества или искусственной системы о мире (конкретной ПО, совокупности объектов или объекте), включающих в себя информацию о свойствах объектов, закономерностях процессов и явлений, правилах использования этой информации для принятия решений.

В зависимости от последовательности проработки квантов учебной информации различают три вида Обучающих Программ:

. Линейная ОП - это жестко установленная последовательность кадров, одинаковая для всех обучаемых.

. Разветвленная ОП - это такая последовательность кадров, при которой обучаемые разной степени подготовленности продвигаются по обучающей программе различными путями:

при правильном ответе некоторые кадры могут быть пропущены;

при неточном предусматриваются дополнительные кадры.

. Многоуровневая ОП - включает в себя несколько уровней изложения одного и того же материала, предназначенных для обучаемых разной степени подготовленности.

Итак, при тщательном анализе ряда факторов нами в обучающей Интернет-подсистеме для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости была выбрана методика обучения, характеризующаяся следующими параметрами:

· вид управления процессом обучения - смешанный;

· вид информационных процессов - рассеянный;

· тип ОП - в соответствии с поставленной задачей в одной подсистеме реализовано два типа ОП - КП и ИП;

· вид ОП - линейный.

.6 Разработка методики допуска к лабораторному исследованию устойчивости замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости

Важным моментом развития компьютерного обучения является создание автоматизированных обучающих модулей - диалоговых программ, реализующих функции тренажера - экзаменатора.

Известно несколько типов автоматизированных обучающих систем, используемых в различных условиях.

Одна из наиболее эффективных систем реализуется при самостоятельном изучении операционных систем и языков программирования. В этом случае главным элементом подсистемы автоматизированного обучения является развернутый комментарий к типовым ошибкам оператора при отладке программ или при прямом обращении к операционной системе. Вторым по важности элементом является задание на правильное написание четко заданной программы. Такие системы практически лишены контрольных функций, главное внимание в них сосредоточено на обучении очень заинтересованного в достижении результата человека.

Вторая широко распространенная группа автоматизированных обучающих подсистем отталкивается от контрольных функций. Обучающийся изучает поставленный перед ним вопрос и выбирает из нескольких предложенных ему ответов один единственно правильный.

Разновидности этой системы в сочетании с поясняющими комментариями к неправильным ответам применяются для контроля знаний и попутного обучения студентов и школьников. В отличие от первой группы подсистем автоматизированного обучения, вторая несет в себе элементы принудительного диалога с обучающимися. Эффективность второй группы существенно ниже, так как в нее сложно включить творческое отношение обучающегося к работе.

Обучающая подсистема по оценке устойчивости замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости имеет иную структуру. Она ориентирована на студентов, поэтому она сохраняет необходимые элементы контроля знаний и принудительного обучения, однако обучающие возможности существенно богаче и дают студенту скомпенсировать исходный недостаток знаний за счет творческого осмысления представляемых к обучению материалов, а следовательно, приобрести не только недостающие знания, но и научиться главному - преодолевать незнание интеллектуальным усилием.

Человек и ЭВМ вместе образуют систему взаимодействия, в которой осуществляется обмен информацией в знаковой форме. Взаимодействие должно быть таким, чтобы эффективно разрешалась проблема пользователя. Организация взаимодействия между пользователем - человеком и обучающей системой в данной разработке осуществляется в форме человеко - машинного диалога. Все режимы работы системы являются диалоговыми, что позволяет пользователю самообучаться во время работы.

Как отмечалось ранее, главная цель разработанной обучающей Интернет - для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости состоит в том, чтобы максимально включить творческий потенциал студента в процессе обучения. Принудительность подсистемы состоит в том, что в режиме контроля знаний студент обязан дать ответ на каждый из поставленных вопросов, только так программа будет продвигаться вперед (к анализу результатов тестирования). Студент не может оставить какие-то вопросы без ответа, чтобы потом вернуться к ним. Хотя в системе предусмотрена возможность выхода из программы в любой момент.

Исходя из этого, режим допуска к лабораторному исследованию включает в себя два раздела:

. «Полный допуск», позволяющий студенту в целях самоподготовки определить свой уровень знаний по частотным критериям устойчивости САУ.

. «Экспресс допуск», рекомендуется для допуска к лабораторной работе.

Оценка считается по принципу:

«Пять» - верных ответов 90%

«Четыре» - верных ответов 75%

«Три» - верных ответов 60%

«Два» - верных ответов менее 60%

Установить «Количество вопросов» студент или преподаватель в разделе Настойки системы.

В этом дипломном проекте разработан блок моделирования лабораторного исследования устойчивости замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости, который управляет подсистемой лабораторного исследования. Моделирует выполнение лабораторной работы на компьютере (ввод данных, вычисление результатов опытов, построение характеристик).

Как отмечалось ранее, главная цель разработанной обучающей Интернет - подсистемы для лабораторного исследования лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости состоит в том, чтобы максимально включить творческий потенциал студента в процессе обучения.

Тема лабораторной работы: Исследование временных, частотных и логарифмических частотных характеристик замкнутых САУ.

Цель проведения лабораторной работы: Изучение и исследование студентами частотных характеристик замкнутой системы автоматического управления (САУ), частотных показателей качества, а также оценки устойчивости САУ с помощью частотных критериев устойчивости. Для исследования влияния параметров передаточной функции замкнутой системы на изменение частотных характеристик, а также на устойчивость систем в ходе лабораторной работы выполняется моделирование характеристик САУ на ЭВМ и расчет соответствующих показателей качества.

Проведение данной лабораторной работы с обучающимся производится в компьютерном классе в сети Интернет на ЭВМ.

В ходе лабораторного исследования необходимо:

1. Провести моделирование на ЭВМ частотных и логарифмических частотных характеристик замкнутой САУ.

. Провести расчет частотных показателей (оценок) качества.

. Провести оценку устойчивости САУ с помощью частотных критериев устойчивости при задании параметров передаточной функции замкнутой системы Ф(р).

Лабораторная работа выполняется в следующем порядке:

Необходимо в окне Интернет - подсистемы, предназначенном для ввода значений передаточной функции, задать значения параметров передаточных функций разомкнутой W(р) или замкнутой Ф(р) системы.

На Интернет - странице режима лабораторного исследования необходимо ввести коэффициенты передаточных функций, которые рассчитываются следующим образом:

;

При этом значения являются значениями коэффициентов усиления передаточных функций реальных устройств, а - значениями постоянных времен этих реальных устройств и выбираются в соответствии с вариантом лабораторной работы, заданным преподавателем, из таблицы 1.

Для разомкнутой системы исследуется передаточная функция вида:

где степени полиномов числителя и знаменателя соответствуют условию m≤n, где m - степень числителя, n - степень знаменателя.

Для замкнутой системы исследуется передаточная функция вида:

После задания значений степеней числителя и знаменателя и ввода коэффициентов передаточных функций необходимо провести моделирование частотных и логарифмических частотных характеристик разомкнутой и замкнутой САУ. Затем необходимо провести расчет частотных показателей качества.

Следующим этапом является проведение оценки устойчивости замкнутой САУ. В лабораторной работе рассматриваются следующие основные частотные оценки качества САУ: запас устойчивости по амплитуде (или по модулю) (в линейном масштабе) и (в логарифмическом масштабе); запас устойчивости по фазе ; показатель колебательности ; резонансная частота ; частота среза .

Таблица 1. Варианты заданий для лабораторной работы

№ варианта
1.	2,2	0,2	20	0,1	0,02	0,005
2.	2,4	0,2	20	0,08	0,02	0,005
3.	2,2	0,2	25	0,03	0,02	0,005
4.	3,3	0,2	25	0,04	0,02	0,01
5.	3,5	0,2	25	0,06	0,02	0,01
6.	3,1	0,2	20	0,04	0,02	0,01
7.	3,7	0,2	30	0,05	0,01	0,005
8.	3,7	0,25	30	0,02	0,02	0,01
9.	4,2	0,3	25	0,04	0,03	0,02
10.	3,3	0,2	20	0,06	0,025	0,001
11.	6,0	0,2	30	0,04	0,02	0,01
12.	4,2	0,1	25	0,05	0,02	0,02
13.	3,6	0,15	30	0,04	0,015	0,01
14.	4,1	0,2	20	0,08	0,01	0,03
15.	5,6	0,1	25	0,04	0,02	0,015
16.	2,5	0,2	30	0,04	0,03	0,02
17.	3,8	0,1	25	0,05	0,02	0,005
18.	4,4	0,1	20	0,02	0,02	0,01
19.	4,4	0,2	20	0,04	0,025	0,03
20.	5,3	0,15	30	0,03	0,03	0,01
21.	3,7	0,2	15	0,04	0,02	0,02
22.	3,5	0,15	20	0,06	0,025	0,01
23.	4,8	0,2	30	0,03	0,02	0,003
24.	4,6	0,1	20	0,02	0,02	0,01
25.	3,2	0,15	30	0,04	0,025	0,03
26.	2,5	0,2	25	0,06	0,03	0,001
27.	3,5	0,18	28	0,05	0,02	0,02
28.	4,7	0,12	20	0,05	0,02	0,01
29.	5,1	0,15	25	0,02	0,0015	0,01
30.	5,8	0,2	30	0,05	0,02	0,02

Содержание отчета о лабораторной работе

Отчет о выполнении лабораторной работы должен содержать:

· Титульный лист с указанием номера варианта лабораторной работы;

· Теоретические сведения;

· Передаточные функции разомкнутой W(p) и замкнутой Ф(р) систем с рассчитанными численными коэффициентами;

· Графики характеристик разомкнутой и замкнутой системы;

· Значения частотных показателей качества и оценка устойчивости замкнутой САУ;

· Литература.

1.8 Разработка алгоритмического обеспечения Интернет-подсистемы для лабораторного исследования устойчивости САУ

Задача создания алгоритмического обеспечения - одна из самых важных задач при создании любого программного продукта, каковым в нашем случае является обучающая Интернет-подсистема для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости.

Обучающей Интернет-подсистеме для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости свойственны такие черты, как:

1 наличие простого в использовании интерфейса;

2 широкое использование графики и анимации;

3 возможность работы с различными графическими форматами.

Все это ставит жесткие требования к созданию алгоритмического обеспечения.

Алгоритмическое обеспечение должно обладать следующими свойствами:

4 Структурированность.

5 Модульность.

6 Надежность.

7 Реализуемость.

Под структурированностью понимается полное отсутствие каких бы то ни было ответвлений, перекрестных ссылок и переходов между структурами одного уровня. Иными словами, каждая структура, независимо от ее величины, уровня в иерархии должна иметь строго один вход и один выход. В противном случае, никогда нельзя с уверенностью сказать, как может повести себя программа. И чем программа сложнее, тем больше вероятность ее сбоев из-за не структурированности.

Второе свойство - модульность - необходимо для достаточно больших программ. Оно состоит в том, что алгоритм программы разбивается на логически и тематически законченные части, которые, взаимодействуя друг с другом, образуют единое целое. Если такого разбиения нет, то очень трудно уследить за правильностью алгоритма, вносить в него изменения и проводить оптимизацию программы. А отыскание даже небольшой ошибки превращается в почти неразрешимую проблему.

Модульность также помогает при управлении обработкой ошибок. Объекты, разработанные с учетом требования модульности, подобны интегральной схеме. Сигналы поступают в схему и от нее только через контакты (методы). Нет никаких паразитных электрических соединений с другими элементами. Чтобы создать прикладную программу на основе объектов необходимо соединить нужные компоненты. Из этого следует, что модульное программирование облегчает разработку больших программ.

Под надежностью понимается способность алгоритма найти выход из любой ситуации, которая может возникнуть. И чем сложнее программа, чем шире круг задач, которые она решает, тем труднее обеспечить такую надежность. Строго говоря, АПКЛИ на реагировать не только на неординарную ситуацию, но и на совокупность возникших ситуаций. Причем, необходимо, чтобы программа не только распознавала некорректные ситуации, но и могла их грамотно классифицировать, идентифицировать и сообщать пользователю.

Надежная работа программы достигается за счет использования объектов. Хорошо спроектированный объект - это небольшая часть программы, слабо связанная с другими частями. Если этот объект правильно работает в автономном режиме, то он почти наверняка будет правильно работать и в составе большой программы.

Очень важным свойством для таких систем, как описанная в данном дипломе обучающая Интернет-подсистема для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости, является их реализуемость. Ведь любой алгоритм оторван от среды, в которой он будет реализован. В этой ситуации необходимо хорошо представлять, что может быть реализовано на той ЭВМ и в той среде, в которой пишется алгоритм.

Алгоритм работы обучающей Интернет-подсистеме для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости, рассматриваемый в дипломном проекте, удовлетворяет всем этим требованиям. Этот алгоритм приведен далее. Также далее приведен алгоритм проведения лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев в Интернет - подсистеме.

Рис. 1.21. Алгоритм работы обучающей Интернет-подсистеме для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости

Рис. 1.22. Алгоритм проведения лабораторного исследования в обучающей Интернет-подсистеме для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости

1.9 Разработка программного обеспечения Интернет - подсистемы для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ

Программная реализация обучающей Интернет-подсистемы для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ на основе частотных критериев устойчивости проводилась на персональном компьютере семейства x86 под управлением операционной системы с установленной операционной системой Windows ХР и с установленным интернет-сервером Apache версии 2.2.4 for Windows. Среда реализации - язык программирования PHP, объектно-ориентированный язык программмирования JavaScript и гипертекстовый язык разметки HTML.

Скрипты, написанные на языке PHP, включаются непосредственно в тело html-документа, но выполнение программы происходит на стороне сервера, который создает html-страницы и передает их сторону клиента.

Собственно структура сайта, в страницы которого внедрены описанные выше скрипты, представляет собой дерево каталогов.

В корневом каталоге находятся следующие файлы:

index.php	Главный файл подсистемы. Он запускается при входе на сайт.
sau_output.php sau _config.php sau _about.php styles.css	Файлы содержащие вспомогательные функции и конфигурацию подсистемы.
sau_lec.php	Файл отвечающий за вывод на экран курса лекций.
sau_literature.php	Вывод списка литературы
sau_metod.php	Файл отвечающий за вывод на экран методических указаний.
sau_dopusk.php	Файлы отвечающие за вывод и обработку форм в режиме допуска к лабораторной работе.
sau_laba.exe	Скачиваемый файл с лабораторным исследованием.

В подкаталоге img расположены графические файлы:

yes.gif no.gifГрафика для обозначения правильных и неправильных ответов, схемы.

В подкаталоге data расположены файлы с данными для допуска к лабораторной работе:

saucont.txtФайл с данными для режима допуска к лабораторной работе.

В подкаталоге lec расположены файлы с данными для вывода экран курса лекций:

lec_main.htmФайлы c оглавлением курса лекций.
lec__.htm	30 файлов с содержанием разделов и подразделов курса лекций.
Img__.png	240 файлов с иллюстрациями к курсу лекций

.10 Руководство разработчика Интернет - подсистемы для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ

Понятие World Wide Web (WWW) относится к абстрактному информационному киберпространству. Под словом Internet обычно подразумевают физический уровень сети, т.е. аппаратное обеспечение, состоящее из компьютеров и кабелей. Основой WWW и Internet является использование протоколов, т.е. языка и правил, посредством которых компьютеры «общаются» между собой. Поскольку WWW использует стандартные протоколы Internet для передачи файлов и документов, термин Web часто используется как синоним понятия Internet и относится как к всемирной сети компьютеров. Так и собственно к информации.

Web-публикации работают по технологии клиент-сервер. Web-сервер - это программа, запущенная на компьютере, предназначенном для предоставления документов другим машинам, которые посылают соответствующие запросы. Web-клиент - это программ, которая позволяет пользователю запрашивать документы с сервера. Поскольку сервер задействуется только тогда. Когда запрашивается документ, такая технология является весьма эффективной, поскольку требует незначительных ресурсов сервера.

Запуская программу «web-клиент» (обычно она называется web-браузером), пользователь может устанавливать соединение с другими компьютерами сети и посылать работающим на них web-серверам запросы на web-документы. Для установления соединения используется сетевой адрес компьютера, который называется универсальным указателем ресурса - URL (Uniform Resource Locator). Сервер в ответ на запрос посылает клиентскому компьютеру текст или другую запрашиваемую информацию, на которую в документе установлены гиперссылки. Сервер передает документы в формате HTML (HyperText Markup Language - язык разметки гипертекста). Документы на языке HTML, так же называемые web-документами, позволяют пользователю, указав на выделенное слово или фразу, получить доступ к файлу или перейти в другой HTML-документ, который связан с указанным участком текста гиперссылкой. Такие гипертекстовые связи между файлами и документами, физически расположенными на серверах по всему миру, позволяют системе работать так, будто она представляет собой огромную паутину информации.

Возможности форматирования текста, предусмотренные в HTML, существенно ограничены. Этот язык включает в себя элементы разметки заголовков, абзацев, различные виды выделения символов, возможности включения графики, создания гиперссылок, списков, текста заданного формата, а так же простые функции поиска. Существует множество программ, предназначенных для создания HTML-документов или преобразования уже готовых документов в HTML-формат. Существуют также средства для создания изображений-карт с «горячими точками». Щелкнув на такой точке мышью, пользователь может перейти к заданной позиции текущего или другого документа. Для разработки данного дипломного проекта используется программа HTML-верстки MacroMedia Dreamweaver.

Из-за нехватки возможностей обычного HTML в дипломном проекте используется еще и DHTML (Dyinamic HTML). DHTML - это развитие «традиционного» языка HTML. Новые возможности, которые появляются с его использованием:

· все элементы страницы (теги, графика, текст и т.д.) теперь доступны для просмотра и управления

· новый взгляд на возможности таблиц стилей позволяет управлять элементами страницы намного более эффективно, чем это можно сделать с помощью простого кода.

· Абсолютное позиционирование элементов, включая третью координату (z-индекс), что позволяет создать индивидуальный стиль для страницы, и появление 2.5 мерности (виртуальной трехмерности) страницы.

· Новые дополнения к объектной модели помогают по-новому использовать элементы, написанные с помощью кода сценария.

· Динамическое перерисовывание любой части страницы позволяет сделать видимым процесс изменения. Больше не нужно полностью обновлять страницу для появления ее измененного вида.

· Поддерживаются новые объектно-зависимые методы, включая прохождение событий сквозь объектную иерархию.

· Графические фильтры позволяют пользователю добавлять в графику и текст такие эффекты мультимедиа, как вертикальное или горизонтальное отражение картинки, создание бегущей строки, движение пятен по картинке и т.п.

Кроме всего этого имеется возможность добавления в код страницы кода сценария, позволяющего обновлять позиции и стили элементов на странице. Язык сценария - это способ «научить» страницы реагировать на события, давая им возможность «общаться» с пользователем, чего не могут страницы, написанные лишь с помощью кода HTML. Сценарии могут быть написаны на разных языках программирования, но в данном дипломном проекте используется язык JavaScript.

Разметка HTML-документа.

Элемент разметки обычно состоит из пары кодов - открывающего и завершающего, которые называются тегами (tag). Завершающий тег начинается с символа «/», а в остальном повторяет открывающий.

Вся страница состоит из двух частей: «головы» (head) и «тела» (body), что обозначается соответствующими тегами:

<html> - тег начала документа

<head> - тег начала «головы»

<title> </title> - теги заголовка документа

</head> - тег конца «головы»

<body> - тег начала «тела»

дальше идет html-разметка в соответствии с необходимым содержанием документа при использовании различных тегов.

</body> - тег конца «тела»

</html> - тег конца документа

Практически у каждого тега существует набор атрибутов, которые можно использовать вместе с ним.

Использование PHP скриптов

Для разработки дипломного проекта использовался язык веб-программирования PHP. Cерверных сценарии на РНР, встраиваются непосредственно в текст документа HTML с помощью специальных тегов. Получив от браузера запрос на отображение страницы, Web - сервер находит на ней серверные сценарии РНР и выполняет их как интерпретируемый программный код.

.11 Руководство пользователя Интернет - подсистемы для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ

Начало работы

1. Подключиться к интернет.

2. Посредством браузера зайти на тот сайт, на котором располагается подсистема.

Начинать работу с первой страницы подсистемы index.php

При загрузке в браузер обучающая Интернет-подсистема для лабораторного устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ на основе частотных критериев устойчивости, представленный на рисунке 1.23. Экран разделен на две прямоугольные области:

1. область меню

2. область отображения информации;

Рис. 1.23. Общий вид обучающей Интернет-подсистемы для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ

Работа в режиме обучения

Режим обучения состоит из двух разделов: «Лекции» и «Методика проведения лабораторной работы».

При выборе одного из пунктов меню разделе «Методика проведения лабораторной работы». студенту предлагается страница с учебной статьей из иллюстрированного учебника по частотным и логарифмическим частотным характеристикам разомкнутых и замкнутых САУ и частотным критериям их устойчивости. Учебник разделен на главы. После изучения теоретического материала одной главы можно последовательно перейти к следующей или вернуться в оглавление. Вид страницы методики проведения лабораторной работы по исследованию устойчивости разомкнутых и замкнутых САУ с помощью частотных критериев устойчивости представлен на рис. 1.24.

Рис. 1.24. Вид страницы методических указаний в режиме обучения Интернет-подсистемы для лабораторного исследования устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ

Если студенту недостаточно этих сведений для подготовки к выполнению лабораторной работы или для ее защиты, он может получить дополнительную информацию, обратившись к иллюстрированному изложению лекционного курса «Основы теории управления», который представлен в Интернет - подсистеме по характеристикам типовых динамических звеньев САУ, нажав в меню на кнопку «Лекции». Вид страницы из лекционного курса представлен на рисунке 1.25.

Рис. 1.25. Вид страницы лекционного курса «Основы теории управления» в режиме обучения Интернет-подсистемы для лабораторного исследования устойчивости САУ

Работа в режиме допуска к лабораторному исследованию

Этот режим содержит два варианта тестирования.

Полный допуск

После выбора режима появляется, представленное на Рис. 1.26, окно с вопросом и вариантами ответа. Выбрать необходимый ответ можно, щелкнув курсором мыши на нужный вариант ответа. Программа анализирует ответ и сообщает, верен он или нет. Нажав курсором мыши на кнопку «Следующий вопрос», студент может продолжить тестирование.

Рис. 1.26. Страница с вопросом режима «Допуск» в Интернет-подсистеме для лабораторного исследования для лабораторного исследования устойчивости САУ

По окончании тестирования проводится подсчет правильных и неправильных ответов, и выставляется оценка.

Оценка считается по принципу:

«5» - более 90% правильных ответов;

«4» - от 75% до 90% правильных ответов;

«3» - от 60% до 75% правильных ответов;

«2» - менее 60% правильных ответов.

После окончания тестирования появится страница с результатами тестирования (рис. 1.27).

Рис. 1.27. Страница с результатами тестирования в режиме «Допуск» в Интернет-подсистеме для лабораторного исследования устойчивости САУ

Экспресс-допуск

Режим «Экспресс-допуск» рекомендуется для допуска защиты лабораторных работ, он аналогичен режиму «Полного допуска». Предполагается, что основные теоретические сведения студенту уже известны и оформлен конспект для выполнения лабораторной работы. В данном режиме допуска студенты в случайном порядке задается до 5 вопросов. Количество задаваемых вопросов определяется в меню «Настройки системы». После успешного прохождения допуска студенту предоставляется возможность входа в режим «Лабораторное исследование»

Работа в режиме лабораторного исследования

Студент выбирает пункт меню Интернет подсистемы «Лабораторная работа» и в соответствии с номером варианта, заданным преподавателем, вводит рассчитанные им заранее коэффициенты передаточных функций. Для этого ему необходимо из таблицы варианта выбрать значения , которые являются значениями коэффициентов усиления передаточных функций реальных устройств, и , которые являются значениями постоянных времен этих реальных устройств. Вид Интернет - страницы для ввода коэффициентов передаточных функций представлен на рис. 1.28.

Рис. 1.28. Вид окна «Лабораторная работа» в Интернет - подсистеме для лабораторного исследования устойчивости разомкнутых и замкнутых

Интернет - подсистема проводит моделирование частотных и логарифмических частотных характеристик разомкнутой и замкнутой САУ. Их вид представлен на рис. 1.29.

Рис. 1.29. Вид окна характеристик Интернет - подсистеме для лабораторного исследования устойчивости разомкнутых и замкнутых

После этого Интернет - подсистема проводит расчет частотных показателей (оценок) качества. В лабораторной работе рассматриваются следующие основные частотные оценки качества САУ: запас устойчивости по амплитуде (или по модулю) (в линейном масштабе) и (в логарифмическом масштабе); запас устойчивости по фазе ; показатель колебательности ; резонансная частота ; частота среза .

Заключительным этапом является оценка устойчивости САУ с помощью частотных критериев устойчивости при задании параметров передаточной функции разомкнутой системы W(р) и замкнутой системы Ф(р).

2. Конструктивно-технологическая часть

2.1 Технический процесс изготовления приборов (ИМС) по КМДП технологии

Процесс изготовления ИМС состоит из определённого числа технологических операций и переходов, в результате которых из исходных материалов на пластине заданных размеров получаются готовые электронные функциональные устройства - микросхемы.

Специфической особенностью изготовления ИМС является интегрально - групповой метод производства. Суть его заключается в интеграции большого количества различных и однотипных элементов на едином технологическом носителе - пластине и в интеграции технологических процессов (операций) при групповых методах их проведения. Это означает, что за один технологический цикл одновременно создаётся не один, а множество ИМС.

Последовательность технологических операций при формировании структуры КМДП по самосовмещённой технологии приведена в таблице 2.1. Самосовмещённая технология - это такая технология, когда длина каналов обоих типов электропроводности уменьшается за счёт использования технологии подлегирования через специально сформированную маску из поликристаллического кремния, который выполняет роль затвора.

Таблица 2.1 Перечень, последовательность и номинальные параметры слоёв микросхем

№ п.п.	Наименование слоя	Номер фотошаблона	Номинальные параметры	Примечание
1	Исходный кристалл	-	КЭФ=4,5 (100) КЭФ=20 (100)
2	Первичный термический окисел	-	d=0,40ч0,50 мкм
3	Карман р-типа	1	Na=1·10 смЇі d=5ч8 мкм	Выполняют фотолитографию «кармана» и двухстадийную диффузию «кармана» на необходимую глубину.
4	Диффузионные р-слои (исток, сток, охранная область)	2	rs=10ч25 Ом/ d=0,40ч0,50 мкм	Выполняют фотолитографию и диффузию.
5	Диффузионные n-слои (исток, сток, охранная область)	3	gs=10ч25 Ом/ d=1,4ч1,6 мкм
6	Тонкий оксид	4	d=0,09 ±0,01 мкм	Проводят фотолитографию. Выращивают тонкий слой окисла.
7	Поликристаллический кремний	5	d=0,3ч0,6 мкм	Наращивают специальную маску из поликристаллического кремния Si*.
8	Подлегирование областей истока - стока р-канального транзистора	6	Na=1·10 смЇі d=0,4 мкм
9	Подлегирование областей истока - стока n-канального транзистора	7	Nд ≈1·10 смЇі d =0,4 мкм
10	Межслойный диэлектрик	-	d≈0,5 мкм
11	Контактные окна	8	4Ч4 мкм	Проводят фотолитографию - вскрытие окон под контакты.
12	Металлизация алюминием	9	d=1,2ч0,2 мкм	Создание внутрисхемных соединений путём металлизации алюминием.
13	Диэлектрический защитный слой	10	d=0,5 ±0,2 мкм	Пассивация - нанесение защитного покрытия, в котором фотолитографией вскрывают окна под периферийные контактные площадки.

2.2 Технологический процесс изготовления эпитаксиально-планарного транзистора

Типы структур ИМС

Среди планарных структур, в которых использованы биполярные транзисторы, исторически более ранней является диффузионно-планарная структура. Функции изоляции в ней выполняют р-n-переходы, ограничивающие области отдельных элементов и смещенные в обратном направлении. Для получения обратного смещения в области подложки, разделяющей элементы формируется омический контакт, связанный с наиболее низким потенциалом источника питания, а к изолирующим областям резисторов с помощью контактов подводится высокий потенциал.

В качестве исходной заготовки используют пластину монокристаллического кремния, равномерно легированного акцепторной примесью (дырочная электропроводность). После того как на заготовку нанесен слой окиси кремния Si02, методом фотолитографии в этом слое избирательно вытравливают участки прямоугольной формы и через образовавшиеся окна путем термической диффузии вводят атомы примеси-донора. Процесс диффузии совмещают с термическим окислением кремния, в результате которого на поверхности вновь образуется сплошной слой окисла. Таким образом, одновременно создаются коллекторные области всех транзисторов, а также изолирующие области всех диодов и резисторов для всех кристаллов групповой пластины. Вторичным вскрытием окон меньших размеров в окисле и последующей диффузией примеси-акцептора формируют р-области, выполняющие роль базовых областей транзисторов, анодов диодов и резисторов. В результате очередного (третьего) цикла фотолитографии, диффузии и окисления получают области эмиттеров, катоды диодов, а также высоколегированные области для последующего создания омических контактов к высокоомным коллекторным и изолирующим областям.

Для создания межэлементных связей в слое окисла вновь вскрывают окна и плоскость пластины покрывают сплошной металлической пленкой (обычно алюминиевой). При этом в местах, свободных от окисла, образуется контакт с соответствующими областями кремния. Заключительный цикл фотолитографии (по пленке алюминия) позволяет создать систему межсоединений, а также контакты по периферии кристаллов. Эти контакты будут использованы для коммутации кристаллов с внешними выводами корпуса.

Планарный транзистор (независимо от типа структуры) имеет коллекторный контакт в одной плоскости с базовым и эмиттерным контактами. Вследствие этого коллекторный ток преодолевает протяженный горизонтальный участок дна коллекторной области (под дном базы), имеющий малые поперечные размеры.

В диффузионном коллекторе концентрация активной примеси распределена по глубине неравномерно: она максимальна на поверхности и равна нулю на дне коллектора, - поэтому слой коллектора под базой имеет высокое сопротивление, что увеличивает напряжение насыщения и время переключения транзистора.

Равномерное распределение примеси по толщине коллектора может быть получено с помощью процесса эпитаксиального наращивания кремния с дозированным количеством донорной примеси. Такой процесс применяют для создания эпитаксиально-планарной структуры.

Чтобы получить простейшую эпитаксиально-планарную структуру, в качестве исходной заготовки надо использовать монокристаллическую пластину кремния, равномерно легированную акцепторной примесью. Для нанесения эпитаксиального слоя на одну из сторон пластины ее освобождают от окисла и тщательно очищают (рис. 2.1), после чего проводят осаждение монокристаллического слоя кремния n-типа. Далее поверхность пластины окисляют и методом фотолитографии вскрывают окна в виде узких замкнутых дорожек, соответствующих контуру коллекторных и изолирующих областей ИМС. Проводя через окна диффузию акцепторной примеси до смыкания ее с р-областью, получают таким образом изолированные друг от друга островки равномерно легированного эпитаксиального n-кремния.

Рис. 2.1. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры:

а - исходная пластина; б - стравливание окисла, подготовка поверхности; в-эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности; г - вскрытие окон в окисле под изолирующую (разделительную) диффузию примеси; д - диффузия акцепторной примеси, окисление поверхности; е - готовая структура после формирования диффузионных базовых и эмиттерных областей, а также получения межсоединений.

Схема структуры	Оборудование, метод
Пластина монокристаллического кремния с нанесенной окисью кремния.
Нанесение диэл. маски, используя высокую температуру окисления и фотолитографию.
Внедрение n+ путём эпитаксиальной планарной технологии и очистка от диэлектрика.
С помощью газовой эпитаксии делаем наращивание слоя n.
Используя процесс фотолитографии и плазмохимического наращивания, наносим диэлектрическую маску.
С помощью ионной ВТД эмитации внедряем в п-тии атомы??? элемента и очищающего от диэлектрика.
Снова наносим диэлектрическую маску.
Снова с помощью ВТД внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик.
Нанесение диэлектрика.
С помощью ионной технологии внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик.
Наносим диэлектрик.
Нанесение металлической плёнки с помощью магнетронного распыления и снятие плёнки.

Эпитаксиально-планарная структура со скрытым слоем. Здесь эпитаксиальный коллектор легируют умеренно (необходимую концентрацию примеси рассчитывают из условия пробоя перехода база - коллектор), а малое сопротивление коллектора обеспечивают параллельно включенным скрытым слоем (n+), имеющим высокую концентрацию примеси.

Начальные стадии технологического процесса получения эпитаксиально-планарной структуры со скрытым слоем приведены на рис. 2.2. В поверхностном окисном слое пластины p-типа вскрываются окна, через которые проводят диффузию примеси с высокой концентрацией. Для того чтобы избежать значительного проникновения примеси в эпитаксиальный коллектор при последующих циклах высокотемпературной обработки (разделительная диффузия, базовая диффузия и т.д.), подбирают примесь с малым коэффициентом диффузии (например, мышьяк). Далее поверхность освобождают от окисла и наращивают эпитаксиальный слой кремния n-типа. После окисления поверхности процесс обработки протекает по той же схеме, что и для структуры без скрытого слоя.

Рис. 2.2. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры со скрытым n+-слоем:

а-исходная пластина; б-вскрытие окон под диффузию скрытого слоя; в-диффузия n+-примеси, окисление поверхности; г-стравливание окисла, подготовка поверхности, д - эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности; е - готовая структура после разделительной диффузии, формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений.

Транзистор на основе МДП-структуры


С помощью плазмохимического осаждения и фотолитографии положим диэлектрич. Маску.
С помощью ВТД внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик.
Используя высокую температуру окисления положим диэлектрическую маску.
С помощью магнетронного распыления и фотолитографии наносим тонкое металлическое покрытие.

Эпитаксия

Эпитаксия - это процесс осаждения атомарного кремния на монокристалическую кремниевую пластину, при котором получают пленку, являющуюся продолжением структуры пластины. Практическое значение имеет случай, когда легированная эпитаксиальная пленка выращивается на легированной пластине, т.е. когда одновременно с атомами кремния в росте кристалла принимают участие и атомы легирующего элемента. При различных видах примеси в пластине и в выращиваемой пленке на границе их раздела образуется p-n переход. Таким образом, в эпитаксиально-планарных структурах тонкий эпитаксиальный слой (2-10 мкм) содержит элементы ИМС, а подложка толщиной -500 мкм играет конструкционную роль.

В зависимости от агрегатного состояния источника атомов полупроводника и примеси для растущей пленки различают эпитаксию из газовой, жидкой и твердой фаз. Промышленное применение нашли газофазная (ГФЭ) и жидкофазная (ЖФЭ) эпитаксии.

При ГФЭ атомы кремния и примеси выделяются на пластине в результате химических реакций из соединений кремния и легирующего элемента. Для совершенства структуры важно прежде всего, чтобы в достройке участвовали одиночные атомы, а не их группы.

Основные условия, обеспечивающие совершенство структуры эпитаксиального слоя, следующие:

Химические реакции выделения атомов кремния и примеси должны быть гетерогенными (выделение атомов происходит непосредственно на пластине), исключающими образование агломератов (групп атомов);

Необходимы высокая температура пластины и ограниченная скорость осаждения атомов, обеспечивающие высокую подвижность адсорбированных атомов на пластине

С поверхности пластины должны быть устранены механические повреждения и различного рода загрязнения.

Гетерогенную реакцию, протекающую на границе газообразной и твердой фаз, можно условно представить в виде следующих стадий:

· Перенос веществ, участвующих в реакции, к поверхности пластины;

· Адсорбция поверхностью реагирующих веществ;

· Реакции на поверхности пластины;

· Десорбция молекул побочных продуктов;

· Перенос побочных продуктов в основной поток газа;

· Занятие атомами узлов кристаллической решетки.

Такая схема реализуется в установках с непрерывной подачей рабочей смеси через реактор (метод открытой трубы).

Фотолитография

Как следует из схемы, перенос рисунка фотошаблона в поверхностный слой пластины происходит в три стадии: экспонирование фотослоя через фотошаблон и образование скрытого изображения; проявление и задублирование рисунка, т.е. формирование защитной фотомаски; травление поверхностного слоя пластины на незащищенных участках.

Рис. 2.3. Последовательность операций при фотолитографии

На каждой стадии процесса действуют факторы, искажающие исходный рисунок фотошаблона. Так при экспонировании имеют место явления дифракции, преломления и отражения света, приводящие к изменению размеров элементов рисунка и размытости их краев. На этапе проявления и задублирования искажения размеров обусловлены набуханием фотослоя и усадкой фотомаски при последующей тепловой обработке. При травлении главным фактором является боковое подтравливание под маску. Условия, в которых проходит обработка на различных стадиях, изменяются как от пластины к пластине, так и в пределах одной групповой пластины, что приводит к разбросу размеров элементов рисунка.

Если наименьшие по размерам элементы рисунка соизмеримы с этими погрешностями, то их нельзя воспроизвести на пластине достаточно четко. Таким образом, для воспроизводимости переноса элементов рисунка малых размеров с фотошаблона на пластину фотолитографический процесс должен обладать соответствующей разрешающей способностью. Ее оценивают максимальным числом линий, раздельно воспроизводимых в пределах 1 мм:

где a_min - ширина линии (мкм). На практике разрешающую способность часто характеризуют просто значением amin.

Диффузия

Целью проведения диффузии (за исключением особых случаев) является внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования области с противоположным по отношению к исходной области типом электропроводности. При этом вновь образованная область оказывается ограниченной p-n переходом. Количество введенной примеси должно быть достаточным для компенсации влияния примеси в исходном материале и для создания избытка примеси, обеспечивающего электропроводность противоположного типа. Значение проводимости диффузионной области определяется концентрацией избыточной (нескомпенсированной) примеси.

Так как скорость процесса диффузии очень мала, концентрация введенной примеси монотонно убывает в направлении от поверхности, через которую проходит диффузия, в глубь кристалла. Переход образуется на глубине Xпер, где

концентрация введенной примеси оказывается равной концентрации исходной примеси Nисх.

В качестве легирующих примесей выбирают элементы, имеющие достаточно высокую скорость диффузии и хорошую растворимость в полупроводнике при температуре диффузии. Для получения диффузионных областей с дырочной электропроводимостью в кремнии используют элементы-акцепторы B, ln, Ga, во внешних электронных оболочках которых не достает одного валентного электрона для создания ковалентной связи с атомом четырехвалентного кремния. Для обеспечения электронной электропроводимости можно использовать P, As, Sb, т.е. элементы, имеющие избыточный валентный электрон по сравнению с кремнием.

Атом примеси, проникший в глубь кристалла, способен генерировать свободный носитель заряда (электрон или дырку) только в том случае, если он займет место в узле кристаллической решетки. Высокая плотность вакансий в кремнии является поэтому обязательным условием получения высоколегированных диффузионных областей.

В качестве источников диффузии применяют различные соединения (ангидриды, галогениды, гидриды) легирующего элемента, обладающие достаточной летучестью и позволяющие обеспечить нужную концентрацию примеси. Такие соединения называют диффузантами.

В зависимости от состояния при температуре 20єС различают твердые, жидкие и газообразные диффузанты.

Общим недостатком твердых диффузантов (B2O3, P2O5) является трудность регулирования паров и, как следствие, пониженная воспроизводимость результатов диффузии. Кроме того, для их испарения требуется высокая и стабильная температура, что усложняет и удоражает оборудование. Обычно используют двухзонные диффузионные печи с камерой источника и камерой диффузии, каждая из которых имеет автономную систему нагрева и регулирования температуры.

При работе с жидкими диффузантами (BBr3, PBr3,), обладающими высокой упругостью пара при невысоких температурах, применяют более простые, однозонные, печи.

Наиболее технологичны газообразные диффузанты (B2H6, PH3), регулирование концентрации которых достигается наиболее простыми средствами.

Металлизация

Металлизация - это нанесение на кремниевую пластину, на которой сформированы структуры, сплошной металлической пленки для получения качественных омических контактов с элементами ИМС, а также электропроводящего покрытия, надежно сцепляющегося с пленкой SiO2. Предварительно в окисной пленке методом фотолитографии создают окна под будущие электрические контакты металла с кремнием.

Фотолитография по металлической пленке обеспечивает требуемую конфигурацию проводников межсоединений, а также формирует по периферии кристалла контактные площадки, необходимые для присоединения ИМС к внешним выводам корпуса.

Металл, используемый для получения межсоединений, должен отвечать следующим требованиям:

· Иметь высокую проводимость с удельным поверхностным сопротивлением

· Обеспечивать нормальное функционирование межсоединений при плотностях тока

· Обеспечивать омические контакты с n- и p - областями кремния;

· Быть технологичным при нанесении, избирательном травлении и термообработке, а также при создании электрических соединений с внешними выводами корпуса;

· Не подвергаться коррозии, а также окислению, способному заметно повысить сопротивление контакта;

· Не образовывать химических соединений с кремнием, снижающих механическую прочность контактов и проводимость;

· Иметь высокую адгезию к пленке SiO2;

· Быть прочным, не подверженным механическим повреждениям (вмятинам, царапинам) и разрушению при циклических изменениях температуры.

Металл, который отвечал бы всем перечисленным требованиям подобрать нельзя. Наиболее полно им отвечает высоко чистый алюминий марки А99.

Алюминий имеет удельное сопротивление равное

Благодаря способности окисляться он имеет высокую адгезию к SiO2. В результате операции вжигания обеспечивают прочное сцепление Al с кремнием в контактных окнах. При этом алюминий способен восстанавливать кремний из окисла, следы которого могут быть на поверхности пластины, что обеспечивает в конечном счете хороший омический контакт с кремнием.

Периферийные контакты являются состовной частью рисунка межсоединений и служат для присоединения проводящих перемычек, соединяющих интегральную микросхему, заключенную в кристалле, с внешними выводами корпуса или контактными площадками. В полупроводниковых ИМС периферийные контакты не имеют дополнительных покрытий, их получают одновременно с проводниками межсоединений. Размеры и расположение периферийных контактов обусловлены технологическими требованиями, а также расположением выводов корпуса. Обычно их выполняют квадратными с размерами, обеспечивающими, во-первых, достаточную площадь контакта с перемычкой и, следовательно, прочность и надежность сварного соединения, а во-вторых, отсутствие влияния погрешности совмещения перемычки и контакта на площадь контактирования.

Окисление

Общим для диэлектрических пленок различного назначения является требование технологичности, под которым понимают прежде всего совместимость процессов получения покрытия с изготовлением структуры ИМС в целом. Технологичными следует также считать процессы, осуществляймые при невысоких температурах нагрева пластины и обеспечивающие приемлемую для производства скорость роста пленки. Загрязнения пленки, ухудшающие электрические свойства, должны отсутствовать. Поэтому химическое и электрохимическое выращивание пленок в растворах и электролитах при производстве полупроводниковых ИМС находит ограниченное применение.

Эксплуатационным требованиям достаточно полно отвечает окись кремния, получаемая при нагревании его поверхности в присутствии кислорода (термическое окисление). Термически выращенный окисел кремния обладает наилучшими маскирующими свойствами и высокими электрическими параметрами. Склонность окиси кремния к стеклообразованию способствует получению безпористой пленки. Хорошая растворимость окиси в плавиковой кислоте позволяет эффективно использовать ее в качестве маски при селективном травлении кремния.

Процесс окисления выполняют в эпитаксиальных установках или в однозонных диффузионных печах со специальными газорапределительными устройствами. На практике разгонку примеси при диффузии совмещают с окислением поверхности подложек. Окисление поверхности после эпитаксии также выполняется на одной установке в едином цикле.

Различают несколько типов термического окисления:

Термическое окисление в сухом кислороде - обладает наименьшей скоростью окисления. Преимущество - высокое качество пленки и ее высокая плотность

Термическое окисление в атмосфере водяного пара - окисление кремния существенно ускоряется. Более высокая скорость роста пленки объясняется меньшим диаметром молекулы окислителя. Недостатком является необходимость использования герметичных и высокопрочных реакторов вместо технологичных проточных систем.

Термическое окисление в атмосфере влажного кислорода - компромисное решение, обеспечивающее комбинированный процесс.

Заключение

В данном дипломном проекте рассмотрена обучающая Интернет - подсистемы для лабораторного исследования характеристик устойчивости разомкнутой и замкнутой САУ с помощью частотных критериев устойчивости. Приведены основные вопросы создания данной подсистемы:

Ø структура;

Ø структура меню;

Ø методики обучения;

Ø методика допуска;

Ø методика лабораторного исследования;

Ø алгоритмическое обеспечение;

Ø программное обеспечение.

При проектировании данной подсистемы и оформлении дипломного проекта было использовано следующее техническое и программное обеспечение:

Ø персональный компьютер семейства x86;

Ø операционная система Windows XP;

Ø сервер Apache Server 2.2.4 for Windows;

Ø язык программирования PHP 5.2.4;

Ø графический редактор Adobe Photoshop CS3;

Ø html-редактор Macromedia Dreamweaver 4.0;

Ø текстовый редактор MS Word for Windows v. 9.0.

В проекте так же рассмотрены технологические процессы фотолитографии и производства приборов (ИМС) по КМДП - технологии.

Список литературы

частотный эпитексиальный планарный транзистор

1. В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. Теория систем автоматического регулирования. М. Наука. 1975.

2. М.П. Туманов. Теория управления. Теория линейных систем автоматического управления. Учебное пособие. - М.: МИЭМ, 2005.

. В.В. Солодовников, В.Н. Плотников, А.В. Яковлев. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. - М.:Машиностроение, 1985.

. А.А. Воронов, Д.П. Ким и др. Теория автоматического управления. Часть 1. Теория линейных систем автоматического управления. - М.: Высшая школа, 1986.

. Д.П. Ким, Теория автоматического управления. Том 1, Линейные системы. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2007.

. Е.П. Попов. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. - М.: Наука, 1978.

. Р. Дорф, Р. Бишон. Современные системы управления. - М.: Юнимедиастайл, 2002.

8. Гигиенические требования к видеотерминам и персональным ЭВМ и организация работы с ними. (Сан ПиН 2.2.2.542-96).

9. ГОСТ 12.0.003-86. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация.

. ГОСТ 12.1.006-82. Электромагнитные поля радиочастот. Общие требования безопасности.

. ГОСТ ССБТ 12.1.045-84. Электростатические поля. Допустимые условия на рабочем месте.

. ГОСТ 27013-86. Дисплеи на ЭЛТ. Общие технические условия.

. ГОСТ 12.1.030-81. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление. Правила устройства электроустановок ПУЭ-76.

. ГОСТ ССБТ 12.4.124-83. Средства защиты от статического электричества.

. В.Н. Гриднев, А.Н. Малов, А.А. Яншин Технология элементов ЭВА, М., Высшая школа, 1978.

. Н.Г. Гусев Защита от ионизирующих излучений. М., 1990.

. П.А. Домин Справочник по технике безопасности. М., Энергоиздат, 1992.

. А.В. Егунов, Б.Л. Жоржолиани, В.Г. Журавский, В.В. Жуков Автоматизация и механизация сборки и монтажа узлов на печатных платах. М., Радио и связь, 1988.

. А.В. Ильин и др. Биологическая опасность и нормирование излучений персональных компьютеров. М., 1997.

. Б.А. Князевский Охрана труда в электроустановках. М., Энергия, 1977.

. В.А. Крылов, Т.В. Юченкова Защита от электромагнитных излучений. М., Советское радио, 1972.

. Ч.Г. Мэнгин, С. Макклелланд Технология поверхностного монтажа. М. Мир, 1990.

. Д.В. Николенко Практические занятия по JavaScript, СПБ. Наука и Техника, 2000.

. Нормы радиоционной безопасности НРБ-76/8. М., Энергия, 1981.

. Ю.Г. Сибаров и др. Охрана труда на ВЦ. М., Машиностроение, 1985.

. Н.Н. Ушаков Технология производства ЭВМ. М., Высшая школа, 1991.

. Х.И. Ханке, Х. Фабиан Технология производства радиоэлектронной аппаратуры. М., Энергия, 1980.

. А. Хоумер К. Улмен Dynamic HTML Справочник СПБ, Питер, 2000.

. Б. Хеслоп Л. Бадник HTML с самого начала СПБ, Питер, 1997.

Обучающая подсистема для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет