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

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:

описание предметной области;

обоснование выбора программных и инструментальных средств для реализации Интернет — подсистемы;

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

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

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

методика допуска к лабораторному исследованию;

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

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

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

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.

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

Для наглядного представления частотных свойств САУ используются следующие частотные характеристики:

1) 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).

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).

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:

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

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 ;

6) 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).

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

и запас устойчивости по фазе

где — значение ФЧХ разомкнутой системы при частоте среза .

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)

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)

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).

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;

2) — частота реза, соответствующая условию

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

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:

критерий устойчивости Михайлова;

критерий устойчивости Найквиста;

оценка устойчивости САУ по ее ЛЧХ.

Если в характеристический полином замкнутой САУ

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

где его вещественная и мнимая части определяются как:

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 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 нулевых корней характеристического уравнения, число k считается равным нулю, а АФЧX берется с дополнением в бесконечности (рис. 1.15, 1.16, 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 (0) 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.

1.2 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:

1. 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.

2. 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.

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

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

5. 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.

6. 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:

Блок управления с помощью частотных критериев устойчивости.

Блок обучения.

Блок контроля знаний.

Блок лабораторного исследования.

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

Блок управления интерфейсом.

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.

1.4. 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

c. Частотные характеристики САУ.

d. Частотные показатели (оценки) качества САУ.

e. Оценка устойчивости САУ по ее частотным и логарифмическим частотным характеристикам.

f. Порядок выполнения лабораторной работы

g. 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.

1.5 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:

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

2. 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.

3. 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:

1. Передача знаний от системы к обучаемому.

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

3. 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. 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

Основные виды обучающих систем

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

1. «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.).

2. 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.

3. 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.

4. 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.)

2. Как средство управления процессом обучения

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

4. Как средство анализа успеваемости

5. 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: