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

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

- при правильном ответе некоторые кадры могут быть пропущены;

- при неточном предусматриваются дополнительные кадры.

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

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

· вид управления процессом обучения - смешанный;

· вид информационных процессов - рассеянный;

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

· вид ОП - линейный.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

1.7 Разработка методики лабораторного исследования устойчивости замкнутой САУ

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

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

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

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

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

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

В ходе лабораторного исследования необходимо:

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

2. Провести расчет частотных показателей (оценок) качества.

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

Лабораторная работа выполняется в следующем порядке:

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

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

;

;

;

;

;

;

.

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

Для разомкнутой системы исследуется передаточная функция вида:



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

Для замкнутой системы исследуется передаточная функция вида:

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

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

Таблица 1. Варианты заданий для лабораторной работы

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

Содержание отчета о лабораторной работе

Отчет о выполнении лабораторной работы должен содержать:

· Титульный лист с указанием номера варианта лабораторной работы;

· Теоретические сведения;

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

· Графики характеристик разомкнутой и замкнутой системы;

· Значения частотных показателей качества и оценка устойчивости замкнутой САУ;

· Литература.

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

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

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

наличие простого в использовании интерфейса;

широкое использование графики и анимации;

возможность работы с различными графическими форматами.

Все это ставит жесткие требования к созданию алгоритмического обеспечения.

Алгоритмическое обеспечение должно обладать следующими свойствами:

Структурированность.

Модульность.

Надежность.

Реализуемость.

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

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

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

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

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

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

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

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



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

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

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

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

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

В корневом каталоге находятся следующие файлы:

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

В подкаталоге img расположены графические файлы:

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

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

saucont.txt	Файл с данными для режима допуска к лабораторной работе.

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

lec_main.htm	Файлы c оглавлением курса лекций.
lec_*_*.htm	30 файлов с содержанием разделов и подразделов курса лекций.
Img_*_*.png	240 файлов с иллюстрациями к курсу лекций

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Разметка HTML-документа.

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

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

<html> - тег начала документа

<head> - тег начала «головы»

<title> </title> - теги заголовка документа

</head> - тег конца «головы»

<body> - тег начала «тела»

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

</body> - тег конца «тела»

</html> - тег конца документа

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

Использование PHP скриптов

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

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.

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

Начало работы

1. Подключиться к интернет.

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

Начинать работу с первой страницы подсистемы index.php

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

1. область меню

2. область отображения информации;



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

Работа в режиме обучения

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

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



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

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

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

Работа в режиме допуска к лабораторному исследованию

Этот режим содержит два варианта тестирования.

Полный допуск

Этот режим рекомендуется для проведения самоподготовки студента к выполнению лабораторной работы. При тестировании в режиме «Допуск к лабораторному исследованию» студенту предлагается ответить на 22 вопрос по теме «Частотные и логарифмические частотные характеристики разомкнутых и замкнутых САУ и оценка их устойчивости на основе частотных методов». В зависимости от настроек вопросы могут задаваться все вопросы сразу или по одному вопросу. Выбор количества вопросов осуществляется в меню «Настройки системы».

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

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

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

Оценка считается по принципу:

«5» - более 90% правильных ответов;

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

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

«2» - менее 60% правильных ответов.

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

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

Экспресс-допуск

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

Работа в режиме лабораторного исследования

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

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

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



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

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

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

2. Конструктивно-технологическая часть

2.1 Технический процесс изготовления приборов (ИМС) по КМДП технологии

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

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

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

Таблица 2.1 Перечень, последовательность и номинальные параметры слоёв микросхем

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

2.2 Технологический процесс изготовления эпитаксиально-планарного транзистора

Типы структур ИМС

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2.1. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры:

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



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

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

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

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

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

Транзистор на основе МДП-структуры

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

Эпитаксия

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

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

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

Основные условия, обеспечивающие совершенство структуры эпитаксиального слоя, следующие:

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

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

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

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

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

· Адсорбция поверхностью реагирующих веществ;

· Реакции на поверхности пластины;

· Десорбция молекул побочных продуктов;

· Перенос побочных продуктов в основной поток газа;

· Занятие атомами узлов кристаллической решетки.

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

Фотолитография

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

Рис. 2.3. Последовательность операций при фотолитографии

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

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



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

Диффузия

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

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

концентрация введенной примеси оказывается равной концентрации исходной примеси Nисх.

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

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

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

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

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

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

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

Металлизация

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

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

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

· Иметь высокую проводимость с удельным поверхностным сопротивлением

· Обеспечивать нормальное функционирование межсоединений при плотностях тока

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

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

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

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

· Иметь высокую адгезию к пленке SiO2;

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

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

Алюминий имеет удельное сопротивление равное

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

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

Окисление

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