Разработка обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых систем автоматического управления в среде Интернет

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

За последние несколько лет, в российской и зарубежной системах образования произошли существенные изменения, тесно связанные с развитием науки и техники, и научно-технического прогресса в целом. В основном процессе обучения все больше и больше заметна направленность на компьютерные и интернет технологии. Важную роль начинает играть дистанционное обучение (ДО) , как более удобное и более дешевое средство обучения, по сравнению с обычными методами.

В XXI веке, веке высоких технологий дистанционное образование - очень актуальная тема, ведь оно способно очень вовремя и адекватно реагировать на изменения в развитии технологий, науки, потребностей общества.

А ведь действительно, ДО - это достаточно удобная, практичная и необходимая в наше время система. Она располагает возможностями обучения практически неограниченного количества человек, по различным специальностям. Данная система подходит как для среднего, так и для высшего образования. Одно из главных удобств ДО - это то, что возможен непрерывный обмен информации, в не зависимости от местонахождения человека, времени суток, и, как следствие, непрерывный процесс самообучения в любой удобный момент. ДО позволяет обучаться всем желающим, вне зависимости от социального статуса, т.к она значительно более дешевая, по сравнению со стандартными и устаревшими методами образования. Соответственно, ДО получило широкое распространение в системе образования: в школах, институтах, различных образовательных курсах.

Таким образом можно выделить плюсы дистанционного образования:

- обучающийся может находиться в любом удобном ему месте,

- обучающийся имеет возможность сам выбирать удобное для обучения время,

- обучение индивидуально,

- возможность одновременного обучения большого количества человек,

- повышение качества обучения (за счет Интернета, электронных библиотек и т.д.) ,

- повышение эффективности самостоятельной работы,

- реализация новых форм и методов обучения,

- удобный и быстрый доступ к необходимому для обучения материалу.

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.

Дистанционное обучение очень тесно связано с таким понятием как «дистанционное образование». Разница этих понятий заключается в том, что дистанционное обучение - это процесс, когда знания передаются, а дистанционное образование - это непосредственно процесс получения новых знаний.

Главное место в системе ДО - это новые компьютерные технологии, электронные библиотеки и компьютерные учебники.

Компьютерный учебник, как и материал по предмету обучения должен содержать в себе весь основной материал по данной дисциплине. Кроме того, он должен быть удобен для пользователя: должно быть четко составленное оглавление, возможность в быстром доступе вывести на экран компьютера необходимую страницу, ключевые слова и определения, формулы и графики должны быть ярко выделены в тексте, что облегчает систему поиска информации. Все графики и иллюстрации должны быть ярко оформлены и построены в соответствующей динамике, в целях повышения внимания обучающегося человека.

Меню компьютерного учебника (учебного пособия) , должно включать в себя блок теорий, вопросы для самоконтроля и самопроверки. К вопросам для самоконтроля необходимы ответы, чтобы обучающийся мог сам оценить уровень подготовки и степень освоенности материала, и при необходимости повторно изучить интересующий его раздел.

Существует два способа получения информации в ДО:

- синхронные учебные системы , т.е системы в реальном времени (on-line) ,

- асинхронные системы, т.е системы of-line.

Синхронные системы представляют собой участие в процессе обучения как преподавателя, так и обучающегося одновременно.

Асинхронные системы, напротив, ориентированы на то, что преподаватель и обучающийся не должны одновременно участвовать в процессе обучения.

Существует такое понятие как «смешанные системы» - в которых используются как элементы синхронного обучения, так и асинхронного.

По способу передачи данных можно назвать такие формы ДО как:

- распространение печатных материалов, электронных учебников по электронной почте;

- распространение аудио-, видео-;

- видео конференции;

- телеконференции Usenet, IRC;

- через web-страницы.

В настоящее время заметно, что Интернет практически полностью вытесняет различные формы ДО. Это связано с тем, что:

- подключение и пользование Интернет-технологиями является достаточно простым, удобным и дешевым средством;

- подключение к Интернет - не вызывает трудностей у обучающихся;

- низкая стоимость подключения.

- возможность заочного образования.

Так как мы живем в веке высоких технологий, то такие понятия как обучение на расстоянии, компьютеры, компьютерные сети, подключение и выход в интернет и т.д. не являются чем-то трудновыполнимым. Соответственно, ДО приобретает все более распространенный характер. Главной задачей, на данный момент является расширение и улучшение качества ДО, а так же внедрение ДО в различные сферы обучения.

Исходя из всего вышесказанного, описанная в данном дипломном проекте обучающая подсистема для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет, является очень 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;

описание структуры меню обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет;

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

методика допуска к лабораторному исследованию;

методика лабораторного исследования обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет;

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

программное 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

Совокупность объекта управления и средств автоматического управления называется системой автоматического управления (САУ) . Основной задачей автоматического управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин в объекте управления.

Основные задачи теории автоматического управления:

* анализ устойчивости, свойств, динамических показателей качества и точности САУ;

* синтез алгоритмов (аналитических выражений) , описывающих САУ и обеспечивающих оптимальное качество управления;

* моделирование САУ с использованием компьютеров и универсальных либо специализированных (предметно-ориентированных) прикладных программ;

* проектирование САУ с использованием аппаратных средств вычислительной техники и их программного обеспечения (средств автоматизации программирования и проч.) .

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.

Передаточные функции и уравнения замкнутой системы.

Из цепи звеньев любой сложности, показанной на рисунке получается замкнутая система при помощи единичной отрицательной обратной связи. Эту братную связь называют главной в отличии от местных обратных связей, которые могут быть внутри в составе разомкнутой цепи звеньев.

Рис. 1.2

Пусть имеются внешние воздействия: g(t) - задающее и f(t) - возмущающее. В общем случае могут быть введены несколько возмущающих воздействий, приложенных в разных местах системы.

Задана передаточная функция разомкнутой цепи:

(3)

В виде отношения многочленов с единичными коэффициентами при младших членах, т.е.

(4)

где K - общий коэффициент усиления разомкнутой системы.

Передаточные функции замкнутой системы записываются отдельно для каждой комбинации входа и выхода, а значит, и для каждого внешнего воздействия в отдельности.

Разделим каналы прохождения сигналов в сиситеме от каждого внешнего воздействия. Возмущающее воздействие f(t) может быть приложено в любом месте. Но, используя второе правило структурных преобразований всегда можно выделить ту часть схемы, через которую проходят сигналы от f(t) на выход x. Это показано на рисунке в виде передаточной функции M(s) :

Рис. 1.3

Для задающего воздействия g(t) схема прохождения сигналов сохраняется в полном виде W(s) . На выходе имеем формально:

(5)

(на самом деле M(s) входит в общую схему как часть W(s) ) .

Основные соотношения, следовательно, в изображениях по Лапласу будут иметь вид:

E=G-X

X=W(s) E+M(s) F.

В расчетах автоматических систем применяют три основных вида передаточных функций замкнутой системы.

1. Главная передаточная функция замкнутой системы (при f(t) =0) ;

Ф(s) = (6)

из формулы (1) и (2) при F=0 имеем:

X=W(s) (G - X) , (7)

откуда:

(8)

2. Передаточная функция замкнутой системы для ошибки (при f(t) = 0) ;



По формуле (1) получаем:

(8)

откуда:

3. Передаточная функция замкнутой системы по возмущающему воздействию (при g(t) = 0) ;

(9)

Из формул (1) и (2) при G = 0 имеем:

X = W(s) ( -X) + M(s) F (10)

откуда:

Где R(s) = L(s) M(s) , причем многочлен R(s) зависит от места приложения возмущающего воздействия. Заметим, что поскольку при g(t) = 0 имеем E = - X, то передаточная функция замкнутой системы для ошибки по возмущающему воздействию будет той же, что и для регулируемой величины с точностью до знака.

Важно отметить, что знаменатель всех видов передаточной функции замнутой системы один и тот же.

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 +. 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. 1.4



Рис. 1.5

Рис. 1.6

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

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

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

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

Рис. 1.7. Вещественная частотная характеристика - ВЧХ

Рис. 1.8. 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, построенная в логарифмическом масштабе частот в соответствии с выражением:

 (11)

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. 1.9. Логарифмическая амплитудная частотная характеристика.

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

или (12)

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. 1.10. 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. 1.11) .

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. 1.11) .

Рис. 1.11. Запас устойчивости по амплитуде



Рис. 1.12. Запас устойчивости по фазе

На рис. 1.12. 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. 1.13)

Рис. 1.13

Рис. 1.14

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. 1.14) .

(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. 1.15) .

(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. 1.15

Быстродействие САУ количественно характеризуется следующими оценками качества, определяемыми по АЧХ замкнутой системы при начальной ординате, равной единице (рис. 1.13) :

1) - резонансная частота, соответствующая резонансному пику АЧХ;

2) - 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:

критерий устойчивости Найквиста;

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

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. 1.16, 1.17, 1.18) .

Рис. 1.16

Рис. 1.17



Рис. 1.18

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. 1.19)



Рис. 1.19

1.2 Обоснование выбора программных и технических средств для реализации Интернет - подсистемы

Под автоматизированной обучающей системой понимается функционально взаимосвязанный набор подсистем учебно-методического, информационного, математического и инженерно-технического обеспечения на базе средств вычислительной техники, предназначенный для оптимизации процесса обучения в различных его формах и работающий в диалоговом режиме коллективного пользования.

Основные критерии:

1. стоимость;

2. мобильность (возможность использования на различных компьютерах) ;

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

4. возможность использования в дальнейшем.

АОС - это активная диалоговая система, которая непосредственно работает с пользователем. Соответственно, при выборе программных средств выполняются следующие задачи:

* наглядность представления графического материала. Для этого требуется использовать среду, поддерживающую графические средства;

* создание оконного интерфейса и системы меню, позволяющих управлять работой программы. Этот принцип реализуется с помощью объектно-ориентированного программирования, отличительной особенностью которого является возможность управлять ходом программы, событиями, генерируемыми пользователем.

Также, при разработке интернет - систем АОС перед программистом встает задача создания дружественного интерфейса всей системы, результат воздействия которого на отдельно взятого пользователя окажется определяющим фактором популярности системы в процессе эксплуатации.

В наше время благодаря бурному развитию Интернета в программировании выделяют отдельное направление - Web-программирование, т.е. создание сценариев для Web.

Язык PHP - удобный и гибкий язык для программирования в Web. С помощью PHP можно написать 99% программ, которые обычно требуются в Интернете. Для оставшегося 1% придется использовать С или Perl(или другой универсальный язык) .

История языка PHP начинается с 1995 года, когда Расмус Лердорф (Rasmus Lerdorf) создал простой набор сценариев для анализа посещений Web-страницы с его резюме. Лердорф назвал свое творение Personal Home Page Tools и выложил его в свободный доступ. Вскоре его пакетом сценариев пользовалось уже несколько человек, и число желающих постоянно увеличивалось.

Положительные отзывы о пакете PHP вдохновили Расмуса на написание расширенной реализации тех же сценариев, дополненной средствами интерпретации данных форм HTML, и которая к тому же могла работать с базами данных, что позволило пользователям разрабатывать простые приложения, генерирующие Web- страницу на лету.

В конце 1997 года интерпретатор PHP был переписан двумя программистами израильского университета Зивом Сураски (Zeev Suraski) и Энди Гутмансом (Andi Gutmans) , в результате чего на свет появилась версия РНР 3.0, завоевавшая большую популярность у разработчиков Web - приложений.

Версия РНР версии 4 - была названа Zend Engine (по имени создателей Zeev и Andi) . Естественно, широкая популярность, которую приобрел пакет PHP4, привела к тому, что требования к этому языку продолжали возрастать, и встроенных возможностей PHP стало не хватать.

В июле 2004 года выходит официальный релиз PHP5. В первую очередь переработке подвергся весь механизм работы с объектами. В языке PHP5 появилась система каскадной обработки исключений, позволяющая корректно обрабатывать исключительные ситуации, возникающие в процессе выполнения программ: например, неправильный ввод данных пользователем, ошибки соединения с СУБД или выполнения SQL-запросов и т.п.

Кроме того, используется новый, более эффективный диспетчер памяти. Добавлено множество новых функций для работы с массивами, потоками, файлами, строками. PHP обогатился рядом ценных расширений для работы с XML, различными источниками данных, генерации графики и т.д.

PHP 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.

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.

Язык PHP предназначен для программирования в Web.

Одним из его преимуществ является доступность и бесплатность, а также богатый инструментарий и естественная поддержка многими популярными Web-серверами.

PHP является средством реализации взаимодействия различных подсистем Web-приложений. Именно поэтому необходимо рассмотреть протокол HTTP, являющийся основой взаимодействия серверной и клиентской части, а также язык HTML, с использованием которого реализуется визуализация данных в браузере.

Современные Web-приложения немыслимы без интерфейса с базами данных. В связи с этим, PHP также представляет чрезвычайно богатые возможности взаимодействия с хранилищами информации различного рода.

Пользователь запрашивает документ Web, запрос осуществляется с помощью специальных программ - браузеров, работающих на клиентских компьютерах. Браузер отправляет Web-узлу запрос на документ, который обрабатывается программным приложением, получившим название Web-сервера. Браузерами и Web-серверами используется специальный протокол HTTP (HyperText Transfer Protocol) , который определяет, как браузер должен форматировать и отправлять запросы Web-серверу. Полная спецификация документа называется адресом URL (uniform resource locator) . Он задает протокол (HTTP) , имя узлового компьютера, при необходимости номер порта, а также имя (местонахождение) документа. Адрес URL указывается без пробелов (как одно слово) . Адрес URL задает местоположение ресурса (объекта) в сети, он является сетевым аналогом имени файла в файловой системе. Протокол HTTP используется для передачи Web-страниц.

Таким образом, Web-сервер получает от браузера запрос по тому или иному адресу URL, с использованием протокола HTTP. Получив запрос, Web-сервер находит в своих каталогах файл нужной страницы HTML и отправляет его браузеру клиента, в окне которого страница и отображается.

Термин Web означает, что система рассматривается как набор узлов со ссылками друг на друга. Такая архитектура напоминает паутину (с анг. Web) . Ссылки обеспечивают возможность навигации между ресурсами системы. Пользователь просто щелкает на ссылке в документе, и браузер интерпретирует это действие как запрос на загрузку документа или ресурса, на который эта ссылка указывает.

Помимо установки сетевых соединений и протоколов, для обмена документами браузеры также выполняют функцию обработки и отображения документов. Протоколы TCP/IP и HTTP вообще не решают эту проблему. Отображение содержимого документа выполняется браузером,

при этом на арену выступает язык разметки гипертекста HTML (HyperText Markup Language) . Язык HTML используется для описания содержимого и

параметров визуального форматирования Web-страниц. Это язык дескрипторов, основанный на SGML - более обширном языке, предназначенном для определения языков разметки специального назначения. HTML - это лишь одно из применений языка SGML, предназначенное для представления текстовых документов. Язык HTML содержит дескрипторы, определяющие способ форматирования текста в окне браузера, - шрифт, размер, цвет и т.д. Язык HTLM определяет лишь внешний вид документа на экране компьютера, страницы на этом языке представляют собой текстовые файлы в файловой системе Web-сервера.

Ключевые слова «Простота обучения», чтобы пользователи (заинтересованные в публикации) могли легко определить вид документа на экране любого компьютера, и «Экран любого компьютера», так как Web-система потенциально может работать на различных типах компьютеров, необходимо обеспечить аппаратную независимость основных команд форматирования, например задание шрифта.

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 ВТ.

PHP отличается от других языков программирования возможностью внедрения программного кода в обычный HTML. Серверных сценарии РНР встраиваются непосредственно в текст документа HTML с помощью специальных тегов:

* Полные (стандартные теги) ;

* Короткие теги;

* Теги в стиле SAP;

* Теги script.

Получив от браузера запрос на отображение страницы, Web-сервер приложений выполняет предварительную обработку страницы, интерпретирует все содержащиеся в ней сценарии и при необходимости взаимодействует с ресурсами сервера. В упрощенном виде выполняемая при этом последовательность действий выглядит так:

1. Анализ HTTP- запроса.

2. Поиск необходимого серверного ресурса (страницы) .

3. Анализ сценариев, обнаруженных на странице, путем вызова соответствующего интерпретатора.

4. Передача обратно клиенту результирующей страницы.

В результате генерируется страница в формате HTML, которая и передается обратно браузеру-клиенту. Необходимо отметить, что на странице, которая передается клиентскому браузеру, уже не содержится никаких сценариев. Их место заняли данные, сгенерированные в процессе их интерпретации.

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.

Следует отметить, что при разработке сценариев PHP лучше отключить режим кэширования Web-страницы, чтобы внесенные изменения (т.к. наша цель создать динамическую страницу) сразу же отображались в окне браузера.

Большинство браузеров осуществляет кэширование информации, загруженной из сети. После загрузки страницы браузер сохраняет ее на локальном диске и при следующем обращении к этой странице быстро извлекать страницу из кэша. Так что пользователь не ждет, пока требуемая страница будет снова загружена. При использовании статических HTML- страниц такая возможность очень удобна, поскольку позволяет экономить время. Но при работе с динамическими страницами, особенно такими, которые часто обновляются, кэширование приводит к возникновению проблем. Простой способ заставить браузер обойти кэширующий механизм и получать самую свежую информацию заключается в передаче в строке URL в качестве параметра системного времени. При таком подходе строка URL каждый раз будет уникальной. Это гарантирует, что браузер будет каждый раз загружать информацию с сервера, а не из кэша.

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

* Во-первых, это WYSIWYG редактор (What You See Is What You Get) лчто вижу, то печатаюы, 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 это открывает программисту новые возможности, позволяя производить быструю разработку и совершенствование высокоскоростных приложений в Windows под интернет.

Таким образом, выбор технических средств реализации обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет продиктован вышеперечисленным рядом вполне объективных причин, и окончательно был сделан в пользу IBM.

С учетом вышесказанного, обучающая подсистема для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет 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

В современном мире высоких технологий при росте научно-технического прогресса происходит постоянное увеличение количества знаний и навыков, которыми обязаны в полной мере овладеть специалисты. Одним из способов приобретения новых знаний является дистанционное обучение. В наше время в данной сфере обучения происходит непрерывный поиск новых методов для квалифицированного и полного обучения. Одним из самых значимых и удобных способов - это использование АОС (автоматизированных обучающих систем) .

Чтобы решить саму проблему создания АОС необходимо решить несколько 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 подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет является одной из наиболее объемных частей диплома.

Главной и основной задачей является установление последовательности всех необходимых этапов обработки данных в системе. Таким образом, мы должны создать полный алгоритм работы представляемой системы в целом, а кроме того, тех алгоритмов модулей и блоков, из которых состоит данная система. При создании системы, нам необходимо обратить внимание на один из главнейших этапов создания АОС, т.е на принцип модульности. Принцип модульности представляет собой прерывистость (дискретность) в структуре системы и включаемых в нее частей. Это необходимо для того, чтобы при работе с данной подсистемой было возможно, при необходимости, отредактировать или полностью заменить конкретные модули и блоки. Тем самым, данный принцип дает возможность обновляться, расширяться и изменяться данной подсистеме.

Структура обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде Интернет представлена на рис. 1.20.

Рис. 1.20. Структура обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутой САУ в среде интернет

Из рисунка видно, что данная обучающая подсистема состоит из 7-ти основных блоков:

Блок управления Обучающей подсистемой для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет 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 обучающей подсистемой для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет с помощью частотных критериев устойчивости.

Блок управления обучающей подсистемой для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет с помощью частотных критериев устойчивости -- является самым главным блоком системы. Он занимает основное положение в структуре подсистемы. Блок управления обучающей Интернет - подсистемой для лабораторного исследования выполняет все распределяющие функции, которые отвечают за такие важнейшие функции как вызов необходимых подпрограмм, передача результатов между блоками и модулями, а так же для вывода полученных результатов пользователю.

Блок обучения, это блок, в котором находится необходимое проиллюстрированное изложение теоретических данных по частотным и логарифмическим частотным характеристикам замкнутой САУ и частотным показателям качества для оценки их устойчивости. Для выполнения лабораторной работы необходимы следующие разделы:

Амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧX) .

Амплитудная частотная характеристика (ЯЧХ) .

Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) .

Вещественная частотная характеристика (ВЧК) .

Мнимая частотная характеристика (МЧХ) .

Логарифмическая амплитудная частотная характеристика (ЛАЧХ) .

Логарифмическая фазовая частотная характеристика (ЛФЧХ) .

Для создания обучающего раздела подсистемы был использован html-редактор Macromedia Dreaweaver 4.0.

Блок допуска представляет собой себя два варианта тестирования, котрые позволяют в полной мере определить уровень подготовки студентов по данной теме.

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 25 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 допуск” 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.

Блок лабораторного исследования -- управляет самой подсистемой в лабораторной работе.

В ходе лабораторного исследования необходимо провести моделировании на ЭВМ частотных характеристик замкнутой системы, осуществить расчет частотных показателей (оценок) качества и анализ устойчивости САУ с помощью частотных критериев устойчивости.

Лабораторная работа выполняется в следующем порядке:

провести моделирование частотных и логарифмических частотных

характеристик замкнутой САУ,

провести расчет частотных показателей качества;

провести оценку устойчивости замкнутой САУ.

К числу основных частотных оценок качества САУ в лабораторной работе рассматриваются: 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.

В основе выбора именно такой структуры обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет с помощью частотных критериев устойчивости лежит требование к простоте логики системы.

Таким образом, разработанная структура обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет с помощью частотных критериев устойчивости является достаточно мощным инструментом, на базе которого можно разработать многообразные сценарии обучения или тестирования. Кроме того, следует отметить тот факт, что разработчики подсистемы заложили в нее возможность включения в одну тему любого количества разделов.

1.4 Разработка структуры меню обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет

Меню подсистемы необходимо для навигации по обучающей подсистеме для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет и имеет достаточно удобную одноуровневую структуру (рис. 1.21) .

Рис. 1.21. Структура меню обучающей подсистемы для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет

1. Лекции - происходит скачивание материала с содержанием лекционного курса «Основы теории управления», изучаемого студентами 3 курса. Это необходимо для того, чтобы студент полностью освоил материал по изучаемой теме, почерпнул необходимую информацию в полном объеме.

2. Теоретическая справка -- в этом пункте собраны общие сведения по частотным и логарифмическим частотным характеристикам 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

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 25 вопрос. После каждого ответа студенту сообщается верно или неверно он ответил. В конце тестирования выставляется оценка.

3.2. Экспресс-допуск.

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.

4. Лабораторное исследование - состоит из двух частей:

4.1. Моделирование частотных и логарифмических частотных характеристик замкнутой САУ.

Появляется Интернет - страница, на которой студент должен ввести коэффициенты передаточных функций, у соответствии с выданным преподавателем вариантом на данную лабораторную работу.

4.2. Расчет частотных показателей (оценок) качества.

После введения данных своего варианта, появляется страница, где студент имеет возможность посмотреть частотные и логарифмические характеристики, которые построила данная программа по его значениям.

5. Список литературы - появляется соответствующий список литературы, который необходим для подготовки студента к выполнению лабораторной работы на тему: «Обучающая подсистема для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет».

6. О проекте - выводится страница с информацией об обучающей подсистеме для лабораторного исследования характеристик замкнутых САУ в среде интернет.

1.5 Разработка методики обучения в Интернет - подсистеме по исследованию устойчивости САУ

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 (АОС) в данной работе подразумевается такая система, которая поддерживает и/или организует процесс обучения, закрепления и редактирования знаний пользователя этой системой. В процессе изучения материала с помощью автоматизированной обучающей системы становится необходимым решить некоторые конкретные задачи:

1. Передача знаний от системы к обучаемому человеку.

2. Закрепление у обучаемого изучаемого материала.

3. Допуск - который является контролем знаний.

4. Представление сведений на рассматриваемую тему по запросу обучаемого.

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

...