Особенности проектирования информационных обучающих систем с виртуальными электронными тренажерными устройствами

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 681.3                                         

Обучение в технических вузах не обходится без программно-аппаратных имитационно-моделирующих средств. Особенностью информационных образовательных ресурсов является возможность создания эффективной интерактивной среды обучения с расширенными возможностями.

Когнитивные обучающие системы представляют собой автоматизированные информационные системы управления процессом обучения [1, 2].

Сложностями при создании информационных образовательных ресурсов является отсутствие единого математического подхода при описании моделей компонентов образовательного процесса, а также отсутствие в алгоритмах функционирования обучающих систем закономерностей теорий и концепций обучения [3, 4].

Причинами, снижающими эффективность применения информационных обучающих систем, является также отсутствие автоматизированных компонентов для реализации личностно-ориентированного подхода в образовании.

Целью данной статьи является создание информационных обучающих систем и виртуальных электронных тренажерных устройств, учитывающих в своих алгоритмах функционирования личностные качества участников образовательного процесса и тем самым обеспечивающих возможность применения личностно-ориентированного подхода в образовании.

Материал и методы исследования

Ввиду нелинейности процесса обучения, и неопределенностей педагогических ситуаций методологической основой при исследовании информационной обучающей системы и виртуальных тренажерных устройств являлся комплексный подход.

При выявлении структурных связей применялись методы декомпозиции и агрегирования.

При выявлении особенностей функционирования составных узлов применялся структурный анализ.

При выявлении слабоструктурированных компонентов применялся когнитивный анализ.

Результаты и обсуждение

Рассмотрим особенности создания информационных образовательных обучающих систем с виртуальными тренажерными электронными устройствами на примере предлагаемой нами обучающей системы, выполненной по авторским патентам №2229 KG и №2303 KG.

Упрощенная структурная схема информационной обучающей системы приведена на Рисунке 1.

Рисунок 1. Информационная обучающая система

Особенностью информационной обучающей системы является:

– виртуальные тренажерные устройства, входящие в состав обучающей системы, выполняют роль датчиков обученности и индицируют состояние объекта управления процессом обучения;

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 9. №3. 2023

– тренажерные устройства в соответствии с командами управления с учетом результатов психодиагностики личностных качеств обучающихся предлагают студенту к проектированию варианты электронных узлов разной сложности;

– визуальный материал выводится на мониторах в цветовой комбинации с учетом особенностей психологического восприятия обучающегося [5];

– информационная система содержит в своем составе модуль диагностики личностных качеств участников образовательного процесса и тем самым способствует реализации личностно-ориентированного подхода в обучении;

– информационная система применяет усовершенствованный системный анализ за счет применения новых элементов психофакторов [6, 7];

– информационная обучающая система функционирует в асинхронном режиме и позволяет реализовывать процесс обучение в любое свободное для студента время.

Ввиду нелинейности протекания учебного процесса и постоянным изменением его качественных характеристик при формализации компонентов образовательного процесса при проектировании информационной системы применялся синергетический подход. Самоорганизующая система обучения с применением информационных образовательных ресурсов в этом случае будет представлена в виде эргатической модели «студент – информационные средства обучения» [8].

Взаимосвязь информационной обучающей системы с тренажерными электронными устройствами обеспечивается не только по функции управления подачи учебного материала, но и по результатам психодиагностики личностных качеств участников образовательного процесса. Взаимосвязь психофакторов с компонентами тренажерных электронных устройств происходит следующим образом:

– на устройство управляющих воздействий тренажерных электронных устройств от измерителей состояния системы подаются входные данные, содержащие суммарную информацию обычных измерителей состояния и измерителей психофакторов. И тогда психофакторы выступают в роли измерителей состояния объекта управления, которым является обучающийся. В данном схемотехническом решении результаты психодиагностики психофакторов одновременно являются и базовой основой для формирования новых компонентов системного анализа – когнитивными элементами психофакторов.

Особенность виртуальных тренажерных электронных устройств является наличие в их составе набора одинаковых по функциональному назначению узлов и различных по уровню схемотехнической сложности.

Информационная обучающая система по результатам анализа личностных качеств и по результатам тестирования академической подготовки сонастраивает тренажерные электронные устройства с обучающимися и выдает к проектированию обучающемуся задание со сложностью, соответствующее его академической подготовки и его личностным качествам.

Информационная обучающая система в своем составе содержит 13 тренажерных электронных устройств подтвержденных патентами КР. Рассмотрим применение виртуальных тренажерных электронных устройств на примерах тренажерных моделей «прецизионного широкополосного усилителя» и «прецизионного стабилизатора напряжения».

Прецизионный широкополосный усилитель при выходной мощности 600 ват функционирует в диапазоне частот от 10 Гц до 500 к Гц при коэффициенте гармоник не хуже 0,003% (Рисунок 2).

В зависимости от уровня академической подготовки и личностных особенностей информационная система предлагает студенту к проектированию узлы разной сложности.

Agilent

,R33

2.20

SA183?

2SC5200

,330

2M5551

R16

,R34

R7 1R11 240   240

C16 :220pF

22kO 20.9 %

—kl

PUT

C9

HH 0.33pF

C6 :4.7pF

VT8

VT5 1SC5171

1VT16

R20

VT14

VT12

,R35

VT10

Апок

R38

3.90

,R36

DC 1

I e-0090hm

1.330

,R31

,R29 H > 330

VT17

R24

VT15

VTL

VT1

2.20

2.20 R21

2.20 R22

2.20 R23

2.20 R25

2.20 R27

2.20 R26

.R39

3.90

C18

1|JF

JE1

74 V

+E2

) 74 V

U 0.330 0.330

C21 ф470 iF

C20

^10nF

U о.ззо

AR2° 0.330

.R28 LI

I 0.330

rW П40

LI

T'nH

C19

HH

IpF R32

VT1

VT3

2N5

2N540T* 2N540V

CIS =220pF

VD3

-Г

,R14 1N4007 120

C12

:1PF

,R18

120 VD4

-H

1N4007

C17 :470pF

ISA 1943

R37

2.2kQ

Key=C

3kQ

R6 8200

C4

470pF

1NI744A

VD2d]_c1°

J 470pF

VT7

BD139’

AW

C13 XR17

:1pF 1Q0D

VT9

2SC4793

VT6 ISA 1930

27 kO hooo

,R10

3kO

R9 8200

R13

AR15 З.ЗкО

TIT :1pF

Cl C3

HI--Ih

220pF 220pF

Cll

HH 0.33pF

З.ЗкО

Key=B 65.6 %l

1NI744A

C7

—II

C5 1llFCS

HI—Ik 1mF 1mF

Рисунок 2. Прецизионный широкополосный усилитель

Например, при заданной мощности 600 Вт выходной двухтактный каскад студенту необходимо будет выполнить в виде составного блока из четырех комплементарных пар транзисторов Toshiba 2SC5200-2SA1943. При этом студенту предлагается:

– рассчитать максимальное значение коллекторного напряжения выходных транзисторов:

иК.А.ВЫХ. = V2 X РМAX X Rh = V2 x 600 x 4 = 69,282V.

– рассчитать максимальную амплитуду коллекторного тока каждого транзистора:

Ikа.вых. =^ = 69p= 17,32 A.

– рассчитать оптимальное значение напряжения питания усилителя:

Е ПИТ = (1,05...1,1) ×(U KA +U КЭнас. ) = 1,06×(69,282+0,5) = 73,96 V.

– рассчитать амплитуду тока базы каждого выходного транзистора:

Ьвых = ¹-^КА^ВЫХ- = — = 0,288 А.

Б . вых      h 2i Э        60        ,

– рассчитать величину обратного тока коллектора транзистора выходного каскада:

7 К ₀m_AX = I К ₀₍ 2 ₀ ° с) x е ( ⁰ , ⁰⁸ .. ^.0 , ¹³ )<7 К млх^-20 ) = 5 x 10 ^-6 x _e ⁰ , ^08x ( ^50-20 ) = 250 x 10 ^-6 А.

– рассчитать общее значение обратного тока коллектора для составного блока выходных транзисторов:

I КОМАХ =250×10^-6 ⋅ 4=1×10^-3 А.

– рассчитать компенсирующие резисторы, включенные в базовые и эмиттерные цепи в целях уменьшения эффекта асимметрии транзисторов выходного каскада:

R Э = ( 0,04 - 0,05) R Н = ( 0,04 - 0,05×4= 0,33 Ом; R Б =(5...10)R Э =(5...10)×0,33 =2,2 Ом.

– рассчитать мощность рассеивания на сборке из четырех транзисторов:

Р к .+ = Р к - = 0,1 х ^U КАВЫХ + Е пит х I поквых. = 0,1 х ^^^ + 74 х 0,12 = 128,88 Вт .

^Кн . ⁴

В случае расчета усилителя с выходной мощностью 100–150 Вт студенту будет предложен расчет выходного каскада, выполненного на одной комплементарной паре транзисторов Toshiba 2SC5200-2SA1943.

В зависимости от количества рассчитываемых каскадов студенту необходимо будет решить вопрос применения корректирующих цепочек, улучшающих устойчивость к возбуждению, а также решить вопрос применения корректирующих цепочек для уменьшения частотных и фазовых искажений. По результатам расчета усилителя студенту необходимо будет промоделировать работу разработанного усилителя в программной среде Multisim. На Рисунках 3–5 представлены примеры результатов моделирования функционирования прецизионного усилителя мощностью 600 Вт.

Рисунок 4. АЧХ от 0,7 Гц до 7,3 МГц

Рисунок 3. Коэффициент нелинейных искажений при мощности 600 Вт

Рисунок 5. ФЧХ при фазовых искажениях менее 2,5°

По результатам психодиагностики личностных качеств студентов и в зависимости от сложности функциональных узлов предлагаемых решений для студента информационная обучающая система выявляет когнитивные возможности обучаемого. Поэтому тренажерное электронное устройство одновременно выполняет роль датчика состояния образовательного процесса и датчика уровня обученности.

Рассмотрим применение виртуальной модели тренажерного электронного устройства «прецизионного стабилизатора напряжения постоянного тока (Рисунок 6).

1кП

WMOhm

R20 0.022Q

4 El

) 3 V

+ E2

) 17 V

VT3

1N5235B

VT2

2N5401

VT1

2 N 5550

1N5235B

31.8 % iR6 1000

0.00010 Key=A

02 3000

AR1

ЮОкО

T 2N5551

R10

1k0

RB

ДЕ10

^R2B I 30

По. 510

V1 ___ 4

OUT-

1e-009Ohm 0

OPAMP_5T_VIRTUAL

R11

2MQ C1

1000pF

0 %

R30

1.kQ

Key=C

0.470

Key-E

29.766 %

0R31 тола гТ4 1800

T 6

C2

JOOOpF

Г5

D’5*

! 4.518 %

R26

18Q Key=B

R27

A^RS 1000

R9 1.8k0

1kO

VT4

2SC5171

VT9

R14

1.2D

VTB

R15

VT7

.R24

VT5

2SC5200

1.2D

R13

1.20

R16

1.20

R17

R21 0.0220

1.20

16 ^Ц 21

AR23 U

0.Q22Q T

0.0 !2Q m22 \ 0.0220

OUT+

--e

R29

Рисунок 6. Прецизионный стабилизатор напряжения

Прецизионный стабилизатор при выходном напряжении 12 В и токе нагрузки 50 А имеет стабильность по току нагрузки не хуже 0,001% при стабильности выходного напряжения не хуже 0,03% (патент KG №2029).

Прецизионный стабилизатор содержит шесть основных узлов. По результатам тестирования информационная обучающая система предлагает студенту к проектированию по каждому из шести узлов варианты разной сложности.

К примеру, при проектировании узла опорного напряжения в случае требований к точности стабилизации лучше 0,1% студенту предлагается рассчитать узел опорного напряжения на двух встречно включенных токовых стабилизаторах VT1–VT2–D2 [9, 10].

В этом случае студенту предлагается проанализировать элементную базу компонентов и применить оптимальные схемотехнические решения для создание прецизионного опорного напряжения. Такую высокую стабильность выходного напряжения системы электропитания лучше 0,1% прецизионный стабилитрон обеспечить не сможет, поэтому студенту предлагается применить схемотехнические решения, при которых сам прецизионный стабилитрон должен быть запитан от стабилизатора тока и в свою очередь стабилизатор тока также должен питаться стабилизированным током. Также стоит учесть, что при требованиях к стабильности напряжения лучше 0,1% и при больших токах нагрузки (50 А) метода питания прецизионного стабилитрона стабильным током не достаточно, поэтому студенту предлагается рассчитать параметры положительной обратно связи, которая может создавать незначительные приращения величины опорного напряжения при увеличении тока нагрузки при падении напряжения на резисторе R4 (см. R4 на Рисунке 7 а) [11].

Рисунок 7. Прецизионный источник опорного напряжения (а) и традиционный источник опорного напряжения (б)

При расчете узла опорного напряжения студенту предлагается рассчитать параметры и номиналы входящих в узел компонентов.

Номиналы токозадающих резисторов R2 и R3 узла опорного напряжения при этом определяются из выражения:

^ 2 = ^ 3

и СТ VDl -AU БЭ .VT2

I СТ VD1

6,8-0,82 0,02

300 Ом,

где: U СТ.VD1 – номинальное напряжение стабилизации стабилитронов VD1 и VD2; –

В целях первоначального запуска встречновключенных стабилизаторов тока на транзисторах VT1 и VT2 студенту необходимо будет при моделировании экспериментально подобрать величину номинала запускающего резистора R1. Так как через транзисторы протекает ток для питания стабилитронов VD1 и VD2, равный 20 мА, студенту необходимо рассчитать мощность, рассеиваемую на транзисторах VT1 и VT2. Для этого необходимо будет определить падения напряжение между коллектором и эмиттером и коллекторные токи транзисторов.

Напряжение коллектор эмиттер будет определяться из выражения:

^икэ.УТ1 = ДикэУТ2 = Е2мах + E1-4UR3- UVD2 = 20,4 + 3 -6-6,8 = 10,6В,

где: AU кэ.v _T2 - напряжения коллектор эмиттер VT1 и VT2; E 2max — напряжение; E 1 — напряжение питания; E 1 — питание вольтодобавки; AU _R3- падение напряжения на R3; U vd2 -номинальное напряжение стабилизации VD1 и VD2.

Токи коллектора VT1 и VT2 , будут равны токам через сопротивления R2 и R3:

4Ur3 = 4UctvD1 - Мп.VT2 = 6,8 - 0,8 = 6В, где: AUR3— напряжения на R2 и R3; AUC ТvD1— напряжения стабилизации VD1 и VD2; AUБэуТ2 — напряжение база эмиттер VT1 и VT2. Ток коллектора, равный току резистора R3 определится из выражения:

/  = ^£3 = — = 20 х 10-3А,

R3     R3     300                  , где: IR3 — ток через R3; AUR3— напряжение на R3.

Зная коллекторные токи и падения напряжения на коллектор-эмиттерных переходах вычисляется мощность, рассеиваемая на транзисторах VT1 и VT2:

РрАС.VT1 = РрАСVT2 = 'кVT2 Х ^КЭУТ-2 = 20 х 10 3 х 10,6 = 0,212 Вт, где: PРАС.VT1= PРАС.VT2 — рассеиваемая мощность на VT1 и VT2; IКVT2 — коллекторный ток VT2; AUКэ .vt1 - падение напряжения на коллекторно-эмиттерном переходе транзистора VT1 и VT2. Эта мощность меньше предельно допустимой мощности 0,65 Вт.

В случае проектирования стабилизатора с точностью 1% достаточно будет применить обычный параметрический стабилизатор на прецизионном стабилитроне 1N5235 B (Рисунок 7 б).

В случае проектирования выходных регулирующих каскадов прецизионного стабилизатора в зависимости от тока нагрузки студенту предлагается рассчитать параметры выходных транзисторов и номиналы входящих в схему компонентов.

При токах нагрузки 50 А необходимо применить составной выходной регулирующий каскад из пяти транзисторов Toshiba 2SC5200 (Рисунок 8) [12].

При проектировании составных мощных каскадов необходимо учитывать разброс параметров применяемых транзисторов. В целях уравнивания токов через транзисторы и в целях предотвращения превышения допустимой мощности на них необходимо установить уравнивающие сопротивления в базовые (R13–R17) и эмиттерные (R19–R23) цепи транзисторов VT6–VT10.

При расчете базовых уравнивающих сопротивлений определяется падение напряжения на них. Чтобы не увеличивать потери мощности рассеивания на уравнивающих резисторах традиционно принимают допустимые потери на базовых сопротивлениях равные падению напряжения (0,15–0,2) U БЭ.VT6 . В конкретном схемотехническом решении это будет составлять (0,17) U БЭ.VT6 . Тогда номинал базовых уравнивающих сопротивлений будет равен:

'бm = yTi = ^ = 0.1666,

P VT6    ⁶⁰

Рисунок 8. Выходные и предоконечные каскады стабилизатора при токе нагрузки 50 А (а), при токе 10 А (б) и при токе 0,2 А (в)

где I Б.vт6 — ток базы транзистора VT6; I k.vt6 — ток коллектора VT6; P_VT6 — коэффициент

усиления по току VT6.

D - ^17 ^R 17 — , Б .VT6

.

0,17

0,1666

1,02 Ом,

.

где I Б.vт6 — ток базы VT6; JU _R17— падение напряжения на сопротивлении R17.

При расчете эмиттерных уравнивающих сопротивлений определяется падение напряжения на них. Чтобы не увеличивать потери мощности рассеивания на уравнивающих резисторах традиционно принимают допустимые потери на эмиттерных сопротивлениях равные падению напряжения (0,2-0,35)UБЭ.VT6. В конкретном схемотехническом решении это будет составлять (0,33)UБЭ.VT6. Тогда номинал эмиттерных уравнивающих сопротивлений будет равен:

R19 — —^9— — 033 — о,озз Ом,

I НАГ .MAX._VT6     ¹⁰

.

где I НАГ.MAX.VT6 — ток эмиттера VT6; ^U _R19— падение напряжения на сопротивлении R19.

Сопротивление R12, включенное между базами составного каскада и их общим проводом выбирается из условия падения на нем напряжения при минимальном токе нагрузки меньше отпирающего напряжения транзистора, 10 … 15% от минимально открывающего напряжения.

Для расчета сопротивления R12 предварительно необходимо рассчитать величину обратного тока коллекторов составного каскада.

IК0МАХ — IК0(20) х e(0,1-0,13)(tКМАХ-20) — 5 х 10-6 х е(0,1-0,1з)х(50-20) — 200 х 10-6А.

И так как составной каскад состоит из пяти транзисторов, то общий обратный ток коллектора будет составлять:

'к0мах.общ — 200 х 10-6 х5 — 1х 10-3 А.

Тогда номинал сопротивления R12 можно найти из выражения:

U БЭ .VT6. МИН .                   ⁰ - ⁴⁰

R —--------х 0.125 —      х 0.125 — 50 Ом.

• ¹²      I КО МАХ              1х10 ^-3

Для определения максимальной рассеивающей мощности на одном транзисторе необходимо определить максимальное падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер Транзистора VT6:

^UКЭ .VT6 МАХ. — UВХОД. МАХ. — иН0М. — ^UR19 — 20,4 — 12 — 0,22 — 8,18 В, где: UНОМ — напряжение коллектор-эмиттер VT6; UВХОД.MAX. — максимальное напряжение питания; UНОМ. — номинал выходного напряжения стабилизатора.

Тогда мощность рассеивания VT6 (одного из пяти транзисторов выходного каскада), будет равна:

РвыхУтв = ДиКЭ.УТ6мах. х НГ^ = 8,18 х 50 = 81,8 Вт, где: P выx.vт5 — мощность, на VT6; ДиКэ VT6 МАХ — напряжение коллектор-эмиттер VT6; IНАГ.MAX. — ток нагрузки, равный 50 А.

В случае, если студенту предлагается расчет стабилизатора на 10 А, то выходной каскад может быть выполнен на одном транзисторе Toshiba 2SC5200 (Рисунок 8 б).

В случае, если студенту предлагается расчет стабилизатора на 0,2 А, то в этом случае предоконечный каскад не нужен и выходной каскад может быть выполнен на одном транзисторе 2SC5171 (Рисунок 8 в).

Заключение

• 1.    Проектирование информационных обучающих систем не может быть эффективным без учета личностных качеств участников образовательного процесса, поэтому обучающие системы должны содержать в своем составе средства диагностики и мониторинга личностных качеств обучающихся.

• 2.    Создание информационных образовательных ресурсов должно производиться совместно с созданием методологии применения программно-аппаратных образовательных средств.

• 3.    При проведении анализа функционирования образовательных технических средств значительно повышает эффективность применения анализа, в котором в качестве дополнительных элементов системного анализа применяются результаты диагностики психофакторов, влияющих на образовательный процесс.

• 4.    При формализации компонентов образовательного процесса, учитывая его нелинейность целесообразным является применение синергетических эргатических моделей обучения.