Аналоговый компьютер

редактировать

Компьютер, использующий аналоговую технологию Страница из информационного файла Bombardier (BIF), которая содержит компоненты и элементы управления Бомбовой прицел Норден. Бомбовой прицел Norden представляет собой сложнейший опти-механический аналоговый компьютер, используемый ВВС США во время Второй мировой войны, Корейской войны и Вьетнамской войны для помощи пилоту бомбардировщика самолета в точном сбрасывании бомбардировщика. настольный аналоговый компьютер TR-10 конца 1960-х - начала 1970-х годов

Аналог компьютер или аналоговый компьютер - это тип компьютера, который использует постоянно изменяемые аспекты физических явлений, такие как электрические, механические, или гидравлические количества к модели решаемой. Напротив, цифровые компьютеры имеют значения величины символически и дискретными значениями как времени, так и амплитуды.

Аналоговые компьютеры могут иметь очень широкий диапазон сложности. Правила скольжения и номограммы являются самыми простыми, в то время как морские компьютеры управления стрельбой и большие гибридные цифровые / аналоговые компьютеры былии из самых сложных. В системах управления технологическим процессом и защитных реле использовались аналоговые вычисления для выполнения функций управления и защиты.

Аналоговые компьютеры широко использовались в научных и промышленных приложениях даже после появления компьютеров, потому что они начали устаревать уже в 1950-х и 1960-х годах, хотя они оставались в использовании в некоторых приложениях, таких как летательные аппараты имитаторы полета, бортовой компьютер в самолетах и для обучения систем управления в университеты. Более сложные приложения, такие как имитаторы полета самолетов и радар с синтезированной апертурой, оставались областью аналоговых вычислений (и гибридных вычислений ) вплоть до 1980-х годов, поскольку цифровых компьютеров было недостаточно для задачи.

Содержание

  • 1 Хронология аналоговых компьютеров
    • 1.1 Предшественники
    • 1.2 Современная эпоха
  • 2 Электронные аналоговые компьютеры
  • 3 Аналогово-цифровые гибриды
  • 4 Реализации
    • 4.1 Механические Аналоговые компьютеры
    • 4.2 Электронные аналоговые компьютеры
  • 5 Компоненты
  • 6 Ограничения
  • 7 Упадок
  • 8 Возрождение
  • 9 Практические примеры
  • 10 См. также
  • 11 Примечания
  • 12 Ссылки
  • 13 Внешние ссылки

Хронология аналоговых компьютеров

Предшественники

Это список ранних ранних вычислительных устройств, считающихся предшественниками современных компьютеров. Некоторые из них, возможно, даже были названы прессой «компьютерами», хотя они могут не соответствовать различным определениям.

антикиферский механизм, датируемый между 150 и 100 годами нашей эры, был ранним аналоговым компьютером.

антикиферский механизм был оррери и считается ранний механический аналоговый компьютер, согласно Дереку Дж. де Солла Прайсу. Он был разработан для расчета астрономических координат. Он был обнаружен в 1901 году в затонувшем корабле Антикифера у греческого острова Антикитера, между Китерой и Критом, и датируется ок. 100 г. до н. Э. В эллинистический период Греции. Устройства уровня сложности, сравнимого с антикиферским механизмом, не появятся снова до тысячи лет спустя.

Многие механические средства для расчетов и измерений были созданы для использования в астрономии и навигации. Планисфера была впервые описана Птолемеем во 2 веке нашей эры. астролябия была изобретена в эллинистическом мире в I или II веках до нашей эры и часто приписывается Гиппарху. Комбинация планисферы и диоптрии, астролябия была фактически аналоговым компьютером, способным решать несколько различных типов задач сферической астрономии. Астролябия, включающая в себя механический календарь компьютер и зубчатые колеса, была изобретена Аби Бакром из Исфахана, Персии в 1235 году. Абу Райхан аль-Бируни изобрел первую механическую зубчатую лунно-солнечный календарь астролябию, раннюю фиксированную проводную машину обработки знаний с зубчатой Передачей. и зубчатые колеса, ок. 1000 г. н.э. замковые часы, гидроприводные механические астрономические часы, изобретенные Аль-Джазари в 1206 году был первым программируемым аналоговым компьютером.

сектор, вычислительный инструмент, для использования задач решения пропорциональности, тригонометрии, умножение и различных делений, а также для функций, таких как квадрат и кубический корень, было разработано в конце 16 века и нашло применение в артиллерийском деле, геодезии и навигации.

Планиметр был ручным прибором для вычисления площади замкнутой фигуры путем обведения ее с помощью механической связи.

Логарифмическая линейка. Скользящее центральное скольжение установлено на 1,3, курсор на 2,0 указывает на умноженный результат 2,6.

Логарифмическая линейка была изобретена примерно в 1620–1630 годах, контексте после публикации понятие логарифма. Это аналоговый компьютер с ручным управлением для умножения и деления. По мере развития логарифмической шкалы, обеспечивающие обратные значения, квадраты и квадратные корни, кубы и кубические корни, а также трансцендентные функции, такие как логарифмы и экспоненты, круговая и гиперболическая тригонометрия и другие функции. Авиация - одна из немногих областей, где правила скольжения все еще широко используются, особенно для решения задач времени и расстояния в легких самолетах.

В 1831–1835 годах математик и инженер Джованни Плана изобрел машина с вечным календарем, которая с помощью системы шкивов и могла цилиндров предсказывать вечный календарь на каждый год от 0 г. до н.э. (то есть 1 г. до н.э.) до 4000 г. н.э., отслеживающий високосные годы и переменную продолжительность дня.

изобретена машина для прогнозирования приливов Автор сэр Уильям Томсон в 1872 году был очень полезен для судоходства на мелководье. В нем использовалась система шкивов и тросов для автоматического расчета прогнозируемых уровней приливов за заданный период в определенном месте.

Дифференый анализатор , механический аналоговый компьютер, предназначенный для решения дифференциальных уравнений путем интегрирования, с использованием колесно-дисковых механизмов для выполнения интеграция. В 1876 году Джеймс Томсон уже обсуждался возможную конструкцию таких вычислителей, но он был загнан в тупик из-за ограниченного выходного крутящего момента шаровых интеграторов. В дифференциальном анализаторе выход одного интегратора управляющий входом следующего интегратора или выводом графика. усилитель крутящего момента был достижением, позволившим этим машинам работать. Начиная с 1920-х годов Ванневар Буш и другие разработали механические дифференциальные анализаторы.

Современная эпоха

Аналоговая вычислительная машина в Лаборатории движения Льюиса около 1949 года. Аналоговый компьютер Heathkit EC-1

Дюмарес было механическим счетным счетом, изобретенным около 1902 года лейтенантом Джоном Дюмареском из Королевского флота. Это был аналоговый, который связал важные параметры управления огнем с движением собственного корабля и корабля-цели. Он часто использовался другими устройствами такими как часы диапазона Виккерса для генерации данных о дальности и отклонении, чтобы прицелы корабля могли постоянно устанавливаться. Ряд версий Dumaresq производился с возрастающей сложностью по мере развития.

К 1912 году Артур Поллен разработал механический аналоговый компьютер с электрическим приводом для систем управления огнем, основанный на дифференциальном анализаторе. Он использовался Императорским флотом России в Первой мировой войны.

Начиная с 1929 года, анализаторы цепей переменного тока были сконструированы для решения вычислительных задач, связанных с электрическими системами, которые были слишком велик для решения численными методами в то время. По сути, это были масштабные модели электрических свойств полноразмерной системы. Анализаторы цепей могли справляться с задачами, слишком большими для аналитических методов или ручных вычислений. К концу 1950-х было построено более 50 крупных анализаторов цепей.

Второй мировой войны оружие эпохи директора, компьютерных данных орудия и бомбовые прицелы использовали механические аналоговые компьютеры. В 1942 году Гельмут Хёльцер построил полностью электронный аналоговый компьютер в Военном исследовательском центре Пенемюнде в качестве встроенной системы управления (смесительное) для расчета траектории ракеты V-2 из ускорения и ориентации (измеренные гироскопами ), а также для стабилизации и направления ракеты. Механические аналоговые компьютеры были очень важны в управление огнем во время Второй мировой войны, Корейской войны и задолго до войны во Вьетнаме; их было сделано в значительном количестве.

В период 1930–1945 годов в Нидерландах Йохан ван Вин разработал аналоговый компьютер для расчета и прогнозирования приливных течений при изменении геометрии каналов. Примерно в 1950 году эта идея была развита в Deltar, аналоговом компьютере, поддерживающем закрытие эстуариев на юго-западе Нидерландов (Delta Works ).

FERMIAC был аналоговым компьютером, изобретенным физиком Энрикоми в 1947 году для помощи в его исследованиях переноса нейтронов. Project Cyclone был аналоговым компьютером, разработанным Ривзом в 1950 году для анализа и проектирования динамических систем. Project Typhoon был аналоговым компьютером, разработанным RCA в 1952 году. Он состоял из более чем 4000 электронных ламп и использовал для программирования 100 циферблатов и 6000 разъемов. Компьютер MONIAC ​​ был гидравлической моделью национальной экономики, впервые представленной в 1949 году.

Computer Engineering Associates была выделена из Caltech в 1950 году для предоставления коммерческих услуг с использованием «Электрический аналоговый компьютер с прямым аналогией» («самый большой и наиболее впечатляющий универсальный анализатор для решения полевых задач»), обратите внимание Гилбертом Д. Макканном, Чарльзом Х. Уилтсом и Барт Локанти.

Образовательные аналоговые компьютеры иллюстрировали принципы аналогового расчета. Heathkit EC-1, аналоговый компьютер для учебных заведений стоимостью 199 долларов, произведен компанией Heath Company, США, ок. 1960. Он был запрограммирован с использованием патч-кордов, которые соединяли девять усилителей и другие компоненты. General Electric также продавала «образовательный» аналоговый компьютерный комплект простой конструкции в начале 1960-х, состоящий из двух транзисторных тон-генераторов и трех потенциометров. соединены так, чтобы частота генератора обнулялась, когда регуляторы потенциометра устанавливаются вручную, чтобы удовлетворить уравнению. Относительное сопротивление потенциометра было эквивалентно формуле решаемого уравнения. Умножение или деление растения в зависимости от того, какие шкалы были входами, а какие - выходом. Точность и разрешение были ограничены, а простая линейка была более точной, однако прибор действительно использует основной принцип.

Аналоговые компьютерные разработки публиковались в журналах по электронике. Одним из примеров является аналоговый компьютер PE, опубликованный в Practical Electronics в сентябре 1978 года. Другой, более современный гибридный компьютерный проект был опубликован в Everyday Practical Electronics в 2002 году. Примером, описанным в гибридном компьютере EPE, был полет самолета вертикального взлета и посадки, такой как реактивный самолет Harrier. Высота и скорость самолета были аналоговой частью компьютера и отправлены на ПК через цифровой микропроцессор и отображены на экране ПК.

В промышленном управлении технологическим процессом аналоговые контроллеры контура использовались для автоматического регулирования температуры, расхода, давления или других условий процесса. Технологии этих контроллеров изменяются от чисто механических интеграторов, электронно-ламповых и полупроводниковых устройств до эмуляции аналоговых контроллеров микропроцессоров.

Электронные аналоговые компьютеры

Польские аналоговые компьютеры AKAT-1 (1959) EAI 8800 Аналоговая вычислительная система, используемая для аппаратного моделирования в цикле трактора Claas (1986)

Переход между линейными механическими компонентами, такими как пружины и люстры (глушители на вязкой жидкости), и электрическими Компоненты, такие как конденсаторы, катушки индуктивности и резисторы, поражают с точки зрения математики. Их можно смоделировать, используя уравнения той же формы.

Однако разница между этими системами в том, что делает аналоговые вычисления полезными. Если рассматривать простую систему-пружина, построение физической системы потребует создания или модификации пружин и масс. После этого следует их друг к другу и к соответствующему якорю, собрать испытательное оборудование с соответствующим диапазоном входных сигналов и наконец, провести измерения. В более сложных случаях, таких как подвески для гоночных автомобилей, экспериментальное строительство, модификация и испытания одновременно сложны и дороги.

Электрический эквивалент может быть создан с помощью нескольких операционных усилителей (операционных усилителей) и некоторых пассивных линейных компонентов; все измерения можно проводить непосредственно с помощью осциллографа . В схеме (смоделированная) жесткость пружины, например, может быть изменена путем настройки интегратора. Электрическая система является аналогом физической системы, но она менее затратна в изготовлении, в целом более безопасна, как правило, проще модифицировать.

Кроме того, электронная схема обычно может работать на более высоких частотах, чем моделируемая система. Это позволяет моделировать быстрее, чем в реальном времени (которое в некоторых случаях может длиться часами, неделями или дольше). Опытные аналогов аналоговых компьютеров говорят, что они сравнительно тщательный контроль и понимание по сравнению с цифровым моделированием.

Недостатком механико-электрической аналогии является то, что электроника ограничена диапазоном, в котором переменные могут изменяться из-за фиксированного напряжения питания. Следовательно, каждая проблема должна быть масштабирована в соответствии с ее размером и размерами - например, ожидаемыми величинами скорости и положением пружинного маятника. Проблемы с неправильным масштабированием могут страдать от более высокого уровня шума. Цифровые вычисления с плавающей запятой может легко выполнять широкий спектр моделей, если крошечные числа в огромных значениях приводят к числовой нестабильности.

. Например, напряжение может моделировать давление воды, а электрический ток может моделировать расход в кубических метрах в секунду. Интегратор может предоставить общий накопленный объем жидкости, используя входной ток, пропорциональный (возможно, изменяющейся) скорости потока.

Аналоговая схема для динамики системы пружина-масса (без масштабных коэффициентов) Демпфированное движение системы пружина-масса

Аналоговые компьютеры особенно хорошо подходят для представлений, описываемых дифференциальными уравнениями. Иногда они использовались, когда систему дифференциальных уравнений было трудно решить традиционными средствами. В качестве примера динамической системы пружина-масса можно описать уравнением my ¨ + dy ˙ + cy = mg {\ displaystyle m {\ ddot {y}} + d {\ dot {y}} + cy = mg}{\ displaystyle m {\ ddot {y}} + d {\ dot {y}} + cy = mg} , с y {\ displaystyle y}y в качестве вертикального положения массы m {\ displaystyle m}м , d {\ displaystyle d }d коэффициент демпфирования, c {\ displaystyle c}c жесткость пружины и g {\ displaystyle g}g гравитация Земли. Для аналогов вычислений уравнение запрограммировано как y ¨ = - dmy ˙ - cmy - g {\ displaystyle {\ ddot {y}} = - {\ tfrac {d} {m}} {\ dot {y}} - { \ tfrac {c} {m}} yg}{\ displaystyle {\ ddot {y}} = - {\ tfrac {d} {m}} {\ dot {y}} - {\ tfrac {c} {m} } yg} . Эквивалентная аналоговая схема состоит из двух интеграторов для чисел состояния - y ˙ {\ displaystyle - {\ dot {y}}}{\ displaystyle - {\ dot {y}}} (скорость) и y {\ displaystyle y}y (положение), один инвертор и три потенциометра. Схема должна учитывать, что как интегрирующий, так и суммирующий блоки меняют полярность сигнала.

Точность аналогового компьютера ограничена его вычислительными элементами, а также качеством внутреннего питания и электрических соединений. Точность аналогового компьютерного считывания ограничивалась, главным образом, точностью используемого считывающего оборудования, обычно трех или четырех значащих цифр. Точность цифрового компьютера ограничена размером слова; Арифметика произвольной точности, хотя и относительно медленная, обеспечивает любую практическую степень точности, которая может потребоваться. Однако в большинстве случаев точность аналогового компьютера абсолютно достаточна, учитывая неопределенность характеристик модели и ее технических параметров.

Многие небольшие компьютеры, предназначенные для определенных вычислений, все еще являются частью промышленного регулирующего оборудования, но с 1950-х по 1970-е годы аналоговые компьютеры общего назначения были единственными системами, достаточно быстрыми для моделирования динамических систем в реальном времени, особенно в авиация, военная и аэрокосмическая область.

В 1960-х годах основным производителем была Electronic Associates из Принстон, штат Нью-Джерси, с ее аналоговым компьютером 231R (электронные лампы, 20 интеграторов), а затем и EAI 8800 Analog Computer (твердотельные операционные усилители, 64 интегратора). Его соперником была компания Applied Dynamics из Анн-Арбор, штат Мичиган.

. Хотя базовой технологией для аналоговых компьютеров обычно являются операционные усилители (также называемые «усилителями постоянного тока», потому что они не имеют ограничения по низкой частоте), в 1960-х годах была предпринята попытка сделан на французском компьютере ANALAC с использованием альтернативной технологии: среднечастотной несущей и недиссипативных обратимых схем.

В 1970-е годы у каждой крупной компании и администрации, занимавшейся проблемами динамики, был большой центр аналоговых вычислений, например:

Аналогово-цифровые гибриды

Аналоговые вычислительные устройства быстрые, цифровые вычислительные устройства больше универсальный и точный, поэтому идея состоит в том, чтобы объединить два процесса для максимальной эффективности.Примером такого гибридного элементарногоустройство является гибридным умножителем, в котором один вход представляет собой аналоговый сигнал, другой вход - цифровой сигнал, а выход - аналоговый. Он работает как аналоговый вычислительный потенциометр, обновляемый в цифровом виде.Этот вид гибридной техники в осно вном используется для быстрых операций в реальном времени, когда время вычислений очень важно, поскольку сигнал p обработка для радаров и в целом для контроллеров во встроенных системах .

В начале 1970-х производители аналоговых компьютеров пытались связать вместе свой аналоговый компьютер с цифровым компьютером, чтобы получить преимущества двух методов. В таких системах цифровой компьютер управлялым компьютером, используется начальную настройку, запускруя несколько аналоговых прогонов, а также автоматически вводя и собирая данные. Цифровой компьютер также может участвовать в расчетах с использованием аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.

Крупнейшим испытанием гибридных компьютеров была компания Electronics Associates.. Их гибридная модель 8900 состояла из цифрового компьютера и одного или нескольких компьютерных консолей. Эти системы в основном предназначаются для крупных проектов, таких как программа Apollo и Space Shuttle в НАСА или Ariane в Европе, когда вначале все моделируются, и постепенно реальные компоненты заменяют их смоделированные. часть.

Только одна компания известна как предлагающая общие коммерческие вычислительные услуги на своих гибридных компьютерах, Франция, 1970-х.

Лучшим справочным инструментарием в этой области являются 100000 прогонов моделирования для каждой системной автоматической посадки самолетов Airbus и Concorde.

После В 1980 году чисто цифровые компьютеры развивались все быстрее и быстрее, чтобы конкурировать с аналоговыми компьютерами. Одним из ключей к скорости аналоговых компьютеров было полностью параллельное вычисление, но это также было ограничением. Чем больше требовалось для решения проблемы, тем больше требовалось аналоговых компонентов, даже если проблема не была критичной по времени. «Программирование» проблемы означало соединение аналоговых операторов; даже со съемной коммутационной панелью это было не очень универсально. Сегодня больше нет больших гибридных компьютеров, есть только гибридные компоненты.

Реализации

Механические аналоговые компьютеры

Уильям Феррел машина для прогнозирования приливов 1881-22 гг.

Хотя на протяжении истории было разработано множество механизмов, некоторые из них выделяются своей теоретической важностью или тем, что они производились в значительных количествах.

В большинстве практических механических аналоговых компьютеров любой сложности вращающиеся валы используются для передачи одного механизма к другому. Кабели и шкивы использовались в синтезаторе Фурье, машине для предсказания приливов, которая суммировала отдельные гармонические составляющие. Другая категория, не столь известная, использовались вращающиеся валы для ввода и вывода с прецизионными рейками и шестернями. Стеллажи были соединены с рычагами, которые выполняли вычисления. По крайней мере, один компьютер управления гидроакустическим огнем ВМС США конца 1950-х годов, сделанный Librascope, был такого типа, как и основной компьютер в Mk. 56 Система управления огнем орудий.

В сети есть замечательно ясная иллюстрированная ссылка (OP 1140), которая включает механизм компьютера управления огнем. Для сложения и вычитания в некоторых компьютерах обычно использовались прецизионные дифференциалы с угловой передачей; компьютер Ford Instrument Mark I Fire Control содержал около 160 из них.

Интегрирование другого производственного вращающимся диском, приводящего в движение одной переменной. Выходные данные устройства поступали от измерительного устройства (например, колеса), расположенного на диске с радиусом, пропорциональным вторым стандартным вторым. (Особенно хорошо работал носитель с парой стальных роликов, поддерживаемый небольшими роликами. Ролик, ось которого параллельна поверхности диска, обеспечивал выход. Он удерживается против пары шариков пружиной.)

Произвольные функции одной обеспечивали кулачки с зацеплением для преобразования движения. ведомого во вращение вала.

Функции двух объемли трехмерные кулачки. В одной удачной конструкции кулачок вращал одна из числа. Полусферический толкатель перемещал свой носитель на оси вращения, параллельной оси вращения кулачка. Результатом было вращательное движение. Вторая переменная перемещала толкатель вдоль кулачка. Одним из практических применений была баллистика в артиллерийском деле.

Преобразование координат из полярных преобразователей было выполнено механическим преобразователем (называемым «решателем компонентов» в компьютерех управления огнем ВМС США). Два диска на общей оси располагали скользящий блок со штифтом (коротким валом) на нем. Один диск был торцевым кулачком, а толкатель на блоке в канавке торцевого кулачка устанавливал радиус. Другой диск, ближе к штифту, содержал прямую прорезь, в которой перемещался блок. Входной поворачивал последний диск (торцевой кулачковый диск на другой вращался вместе с другими (угловым) диском; эту коррекцию производили дифференциал и несколько шестерен).

Что касается рамы, положение штифта соответствовало кончику вектора, представленного входными значениями механизма угла и величины. На этом штифте был установлен квадратный блок.

Выходы с прямолинейными координатами (обычно как синус, так и косинус) поступали от двух пластин с прорезями, каждый из которых соответствует только что упомянутому блоку. Пластины двигались по прямой линиим, одна пластина двигалась под прямым углом к ​​движению другой. Прорези располагались под прямым углом к ​​направлению движения. Каждая пластина сама по себе была похожа на шотландское иго, известное любителям паровых двигателей.

Во время Второй мировой войны аналогичный механизм преобразовывал прямолинейные координаты в полярные, но он не имел особого успеха и исключен в результате значительного изменения конструкции (USN, Mk. 1 - Mk. 1A).

Умножение производилось с помощью механизмов, основанных на геометрии подобных прямоугольных треугольников. Используя тригонометрические термины для прямоугольного треугольника, а именно противоположного, указанного и гипотенузы, соседняя сторона была зафиксирована конструкцией. Одна переменная изменила противоположной стороны. Во многих случаях эта переменная меняла знак; гипотенуза может совпадать с соседней стороной (нулевой вход) или выходить за пределы соседней стороны, представляя изменение знака.

Обычно зубчатая рейка, имеющаяся триггером, противоположная сторона, располагающая ползун с прорезью, совпадающая с гипотенузой. Шарнир на стойке позволяет свободно редактировать угол ползуна. На другом конце ползуна (в терминах триггера - угол) блок на штифте, прикрепленном к раме, определял вершину между гипотенузой и прилегающей стороной.

На любом расстоянии по соседней стороне прямая, перпендикулярная ей, пересекает гипотенузу в данной точке. Расстояние между этой точкой и соседней стороной - это некоторая доля, равная произведению 1 расстояния от вершины и 2 величине противоположной стороны.

Вторая входная переменная в этом типе умножителя позиционирует пластину с прорезями перпендикулярно соседней стороне. Этот слот содержит блок, и положение этого блока в его слоте содержит другим блоком рядом с ним. Последний скользит по гипотенузе, поэтому два блока располагаются на расстоянии от (триггерной) соседней стороны на воздействии, пропорциональную произведению.

Чтобы обеспечить продукт на выходе, третий элемент, другая пластина с прорезями, также перемещается (триггерной) противоположной стороны теоретического треугольника. Как обычно, прорезь перпендикулярна направление движения. Блок в его гнезде, повернутый к блоку гипотенузы, позиционирует его.

Интегратор особого типа, там использовался, где требовалась лишь умеренная точность, был основан на стальном шарике, а не на диске. У него было два входа: один для вращения шара, а другой для определения угла оси вращения шара. Эта ось всегда находилась в плоскости, которая очень похожа на механизм компьютерной мыши с катящимся шаром (в этом механизме ролики захвата были примерно того же диаметра, что и шар). Оси подбирающего ролика располагались под прямым углом.

Пара роликов «над» и «под» уровнем отбора была установлена ​​во вращающихся держателях, которые были соединены вместе. Эта приводная передача в действие угловым входом и устанавливает ось вращения шара. Другой вход вращал «нижний» ролик, заставляя шарик вращаться.

По сути, весь механизм, называемый интегратором компонентов, был приводом с регулируемой скоростью с одним входом движения и двумя входами, а также входом угла. Ввод угла изменял соотношение (и направление) связи между входом «движения» и выходами в соответствии с синусом и косинусом входного угла.

Хотя они не выполняли никаких вычислений, важны в механических аналоговых компьютерах типа «вращающийся вал» для обеспечения рабочего крутящего момента на входах вычислительных механизмов, а также для передачи выходных данных - устройства передачи, такие как большие синхронизаторы передатчика крутящего момента в военно-морских компьютерах.

Другие не вычислительные механизмы, включающие внутренние счетчики одометра с интерполирующими циферблатами барабана для индикации внутренних чисел и механические многооборотные ограничители.

с учетом того, что точно управляемая скорость в аналоговых компьютерах управления была основная их скорость, был двигатель, средняя скорость которого регулировалась балансирным колесом, спиральной, дифференциалом с драгоценными подшипниками, двойным кулачок и подпружиненные контакты (судовая частота переменного тока не обязательно была точной или надежной, когда были разработаны эти компьютеры).

Электронные аналоговые компьютеры

Коммутационная плата аналогового компьютера EAI 8800 (вид спереди)

Электронные аналоговые компьютеры обычно имеют передние панели с многочисленными разъемами (одноконтактными розетками), которые позволяют соединять патч-корды (гибкие провода с) заглушки на обоих концах) для соединений, определяющих настройку проблемы. Кроме того, существуют прецизионные потенциометры высокого (переменные резисторы) для настройки (и, при необходимости, изменения) масштабных коэффициентов. Кроме того, обычно аналоговый измеритель стрелочного с нулевым измерением напряжения с умеренной точностью. Стабильные источники напряжения известных величин.

Типичные электронно-аналоговые компьютеры содержат от нескольких до сотни или более операционных усилителей («усилителей»), названных так потому, что они работают математические операции. Операционные усилители - это особый тип усилителей с обратной связью с очень высокими коэффициентами усиления и стабильным входом (низким и стабильным смещением). Они всегда используются с прецизионными компонентами обратной связи, которые при работе практически компенсируют токи, поступающие от входных компонентов. Основные операционные усилители в репрезентативной установке представляют собой суммирующие усилители, складывают и вычитают аналоговые напряжения, обеспечивающие результат на своих выходных разъемах. Кроме того, обычно в комплект входят операционные усилители с конденсаторной обратной связью; они интегрируют сумму своих входов по времени.

Интегание по другой - почти исключительная прерогатива механических аналоговых интеграторов; это почти никогда не делается в электронных аналоговых компьютеровх. Однако, учитывая, что решение проблемы не меняется со временем, время может служить одной из чисел.

Другие вычислительные элементы включают аналоговые умножители, генераторы нелинейных функций и аналоговые компараторы.

Электрические элементы, такие как индукторы и конденсаторы, используемые в электрических аналоговых компьютерах, должны были быть тщательно изготовлены, чтобы уменьшить неидеальные эффекты. Например, при создании анализаторов цепей переменного тока одним из мотивов использования более высоких частот для вычислителя (вместо фактической частоты сети) было то, что более качественные катушки индуктивности могут быть более легко изготовлены. Многие аналоговые компьютеры общего назначения полностью избегают использования катушек индуктивности, переделывая проблему в форме, которая может быть решена с использованием только резистивных и емкостных элементов, поскольку высококачественные конденсаторы относительно легко изготовить.

Использование электрических свойств в аналоговых компьютерах означает, что вычисления обычно выполняются в реальном времени (или быстрее), со скоростью, определяемой главным образом частотной характеристикой операционных усилителей и других вычислений. элементы. В истории электронных аналоговых компьютеров было несколько особых высокоскоростных типов.

Нелинейные функции и вычисления могут быть построены с ограниченной точностью (три или четыре цифры) путем разработки генераторов функций - специальных схем из различных комбинаций резисторов и диодов для обеспечения нелинейности. Как правило, по мере увеличения входного напряжения все больше диодов проводят.

При компенсации температуры прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора может обеспечить достаточно точную логарифмическую или экспоненциальную функцию. Операционные усилители масштабируют выходное напряжение, чтобы его можно было использовать с остальной частью компьютера.

Любой физический процесс, моделирующий вычисления, можно интерпретировать как аналоговый компьютер. Некоторые примеры, изобретенные с целью иллюстрации концепции аналоговых вычислений, включают использование связки спагетти в качестве модели сортировки чисел ; доска, набор гвоздей и резинка как модель нахождения выпуклой оболочки множества точек; и строки, связанные вместе, как модель поиска кратчайшего пути в сети. Все они развивают в Дьюдни (1984).

Компоненты

Аналоговый компьютер Newmark 1960 года, состоящий из пяти блоков. Этот компьютер использовался для решения дифференциальных соотношений и в настоящее время находится в Кембриджском технологическом музее.

. Аналоговые компьютеры часто имеют сложную структуру, но в их основе лежит набор основных компонентов, выполняющие расчеты. Оператор управляет ими через компьютерную структуру.

Вспомогательные гидравлические компоненты, входящие трубы, клапаны и контейнеры.

Ключевые механические компоненты могут быть вращающиеся валы для переноса данных в компьютер, угловая шестерня дифференциалы, интеграторы диск / шарик / ролик, кулачки ( 2-D и 3-D), механические резольверы и умножители, а также сервоприводы крутящего момента.

Ключевые электрические / электронные компоненты:

Основные математические в электрическом аналоговом компьютере используются следующие операции:

в некотором аналоге В компьютерных разработках умножение предпочтительнее деления. Деление осуществляется с помощью умножителя в цепи обратной связи операционного усилителя.

Дифференциация по времени используется нечасто, и на практике ее можно избежать переопределения проблемы, когда это возможно. В области высокочастотного шума он соответствует фильтру высоких частот; дифференциация также чревата нестабильностью.

Ограничения

В целом аналоговые компьютеры ограничены неидеальными эффектами. Аналоговый сигнал из четырех основных компонентов: величин постоянного и переменного тока, частоты и фазы. Реальные пределы этих характеристик ограничивают аналоговые компьютеры. Некоторые из этих ограничений включают смещение операционного усилителя, конечное усиление и частотную характеристику, уровень шума, нелинейности, температурный коэффициент и паразитные минимальные эффекты с в полупроводниковых приборов. Для коммерческих электронных компонентов диапазоны этих входных и выходных сигналов добротности.

Снижение

В 1950-1970-х годах цифровые компьютеры на основе первых ламп, транзисторов, интегрированных схем, микропроцессоров более экономичными и точными. Это привело к тому, что цифровые компьютеры в степени вытеснили аналоговые. Несмотря на это, некоторые исследования области аналоговых вычислений все еще вперед. Некоторые университеты до сих пор используют аналоговые компьютеры для преподавания теории систем управления. Американская компания Comdyna производила небольшие аналоговые компьютеры. В Университете в Блумингтоне Джонатан Миллс разработал расширенный аналоговый компьютер, основанный на измерении напряжений в листе пенопласта. В Гарвардской лаборатории робототехники аналоговые вычисления являются предметом исследований. Вах коррекции ошибок Lyric Semiconductor используются аналоговые схемностные сигналы. Правила скольжения по-прежнему популярны среди авиационного персонала.

Возрождение

С развитием технологии очень крупномасштабной интеграции (СБИС) Яннис Группа Цивидиса в Колумбийском университете пересматривает дизайн аналоговых / гибридных компьютеров в стандартном процессе CMOS. Были разработаны два чипа СБИС: аналоговый компьютер 80-го порядка (250 нм), генный Коуэном в 2005 году и гибридный компьютер 4-го порядка (65 нм), пример Нинг Гуо в 2015 году, оба нацелены на энергоэффективные приложения ODE / PDE.. Чип Гленна содержит 16 макросов, в которых есть 25 аналоговых вычислительных блоков, а именно интеграторы, умножители, разветвители, несколько нелинейных блоков. Чип Нинга содержит один макроблок, в котором 26 вычислительных блоков, включая интеграторы, умножители, разветвители, АЦП, SRAM и ЦАП. Генерация произвольной нелинейной функции возможна благодаря цепочке АЦП + SRAM + DAC, где блок SRAM хранит данные нелинейной функции. Эксперименты из соответствующих методов показали, что аналоговые / гибридные вычислительные технологии действуют примерно в пределах 5%, что указывает на перспективность использования аналоговых / гибридных вычислительных технологий в этой области. энергоэффективных приближенных вычислений. В 2016 году группа исследователей компилятора для решений дифференциальных уравнений с использованием аналоговых схем.

Практические примеры

X-15 симулятор аналогового компьютера

Это примеры аналоговых компьютеров, которые используются или используются на практике:

Аналоговые (аудио) синтезаторы также можно рассматривать как разновидность аналогового компьютера, и их технология изначально была основана частично на электронных аналоговая компьютерная техника. Кольцевой модулятор ARP 2600 на самом деле был аналоговым умножителем средней точности.

Совет по моделированию (или Совет по моделированию) был ассоциацией аналогов аналоговых компьютеров в США. Сейчас известно как Международное общество моделирования и симуляции. Информационные бюллетени Simulation Council с 1952 по 1963 год доступны в Интернете и отражают проблемы и технологии того времени, а также распространенное использование аналоговых компьютеров для ракетостроения.

См.

На Wikimedia Commons есть средства массовой информации, связанные с Аналоговые компьютеры.

Примечания

Литература

  • АК Дьюдни. «О спагетти-компьютере и других аналоговых гаджетах для решения проблем», Scientific American, 250 (6): 19–26, июнь 1984 г. Перепечатано в «Кресельной вселенной» А.К. Дьюдни, опубликованная W.H. Freeman Company (1988), ISBN 0-7167-1939-8.
  • Universiteit van Amsterdam Computer Museum. (2007). Аналоговые компьютеры.
  • Джексон, Альберт С., «Аналоговые вычисления». Лондон и Нью-Йорк: МакГроу-Хилл, 1960. OCLC 230146450

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-10 22:07:39
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте