Calculator analogic

Un computer analog sau un computer analog ( AVM ) este un computer care reprezintă date numerice utilizând parametri fizici analogici ( viteză , lungime , tensiune , curent , presiune ), care este principala diferență față de un computer digital.. O altă diferență fundamentală este lipsa unui program stocat în computer, sub controlul căruia unul și același computer poate rezolva diverse probleme. Sarcina de rezolvat (clasa de sarcini) este strict determinată de structura internă a AVM-ului și de setările efectuate (conexiuni, module instalate, supape etc.). Chiar și pentru AVM-urile universale, rezolvarea unei noi probleme a necesitat o restructurare a structurii interne a dispozitivului.

Istorie

Notă: pentru comparație, sunt indicate etapele individuale ale dezvoltării dispozitivelor de calcul digital.

Unul dintre cele mai vechi dispozitive analogice este considerat a fi mecanismul Antikythera  - un dispozitiv mecanic descoperit în 1902 pe o navă veche scufundată în apropiere de insula grecească Antikythera . Datată în jurul anului 100 î.Hr. e. (poate înainte de 150 î.Hr.). Păstrată la Muzeul Național de Arheologie din Atena .

Astrologii și astronomii au folosit astrolabul analog din secolul al IV-lea î.Hr. până în secolul al XIX-lea d.Hr. Acest instrument a fost folosit pentru a determina poziția stelelor pe cer și pentru a calcula lungimea zilei și a nopții. Descendentul modern al astrolabului este planisfera  , o hartă mobilă a cerului înstelat, folosită în scopuri educaționale.

Cum funcționează

În funcționare, un computer analogic simulează un proces de calcul, în timp ce caracteristicile reprezentând datele digitale se schimbă constant în timp.

Rezultatul unui computer analog este fie grafice reprezentate pe hârtie sau pe un ecran de osciloscop , fie un semnal electric care este utilizat pentru a controla un proces sau un mecanism.

Aceste calculatoare sunt ideal [6] potrivite pentru controlul automat al proceselor de producție, deoarece ele răspund instantaneu [6] la diferite modificări ale datelor de intrare. Cu toate acestea, viteza totală a muncii lor este scăzută, deoarece calculele se bazează în mare parte pe tranzitorii din componentele reactive și sunt, de asemenea, limitate de banda de frecvență și capacitatea de încărcare a amplificatoarelor operaționale. Astfel de calculatoare au fost utilizate pe scară largă în cercetarea științifică . De exemplu, în experimente în care dispozitivele electrice sau mecanice ieftine sunt capabile să simuleze situațiile studiate.

Într-o serie de cazuri, cu ajutorul calculatoarelor analogice, este posibilă rezolvarea problemelor cu mai puțină preocupare pentru acuratețea calculelor decât atunci când scrieți un program pentru un computer digital. De exemplu, pentru calculatoarele electronice analogice, sarcinile care necesită rezolvarea ecuațiilor diferențiale , integrarea sau diferențierea sunt implementate fără probleme . Pentru fiecare dintre aceste operații, sunt utilizate circuite și noduri specializate, de obicei cu utilizarea amplificatoarelor operaționale . De asemenea, integrarea este ușor de implementat pe mașinile hidraulice analogice.

Elemente de bază

Toate blocurile funcționale ale computerelor analogice pot fi împărțite într-un număr de grupuri:

  1. liniar - efectuați operații matematice precum integrarea , însumarea , inversarea semnelor, înmulțirea cu o constantă .
  2. neliniar (convertoare funcționale) - corespund dependenței neliniare a funcției de mai multe variabile .
  3. logice - dispozitive de circuite de comutare cu relee  , logice continue, discrete . Împreună, aceste dispozitive formează un dispozitiv logic paralel.

AVM-urile universale, de regulă, conțin în compoziția lor:

mai folosit:

. Dispozitiv de stocare
  • Dispozitivele de stocare capacitive sunt dispozitive de stocare dinamică bazate pe proprietatea condensatoarelor de a stoca tensiunea aplicată acestora. O celulă de stocare capacitivă este formată pe un integrator convențional cu diferite comutatoare . Uneori, un amplificator operațional  , un repetor, este introdus în integrator pentru a reduce timpul procesului de memorare . Timpul de stocare a informațiilor în astfel de dispozitive este limitat.
  • Divizor de tensiune  - un dispozitiv de stocare electromecanic în care valorile stocate corespund unghiurilor de rotație ale reostatelor . Astfel de dispozitive pot stoca informații pe termen nelimitat.
  • O pereche de memorie este un dispozitiv care generează o secvență întârziată de niveluri ale semnalului de intrare selectate. Ca o pereche de memorie, sunt adesea folosite amplificatoare operaționale în cascadă , dintre care unul funcționează în modul de urmărire a semnalului de intrare, iar celălalt în modul de stocare.
  • Dispozitivul de stocare pe miezuri de ferită  se bazează pe proprietatea feromagneților de a reține magnetizarea. Celulele unor astfel de dispozitive de memorie sunt realizate pe miezuri de ferită sau pe transfluxori și miezuri toroidale. Utilizarea transfluxorilor și a miezurilor toroidale reduce erorile, reducând în același timp viteza.

Caracteristici

Factorul de calitate al AVM  este o caracteristică generalizată a unui computer analogic, calculată prin formula:

,

unde  este valoarea maximă posibilă a variabilei mașină,  este limita inferioară a valorii posibile a variabilei mașinii. Limitele sunt de obicei determinate experimental. Valoarea numerică depinde de nivelul de interferență, erorile blocurilor funcționale analogice , precizia echipamentului de măsurare utilizat. Factorul de calitate al AVM-urilor puternice depășește [6] .

Clasificare

Toate AVM-urile pot fi împărțite în două grupuri principale:

  • Specializat - conceput pentru a rezolva o anumită clasă restrânsă de sarcini (sau o sarcină);
  • Universal - conceput pentru a rezolva o gamă largă de sarcini.

În funcție de tipul de fluid de lucru

AVM mecanic

Un computer analog în care variabilele mașinii sunt reproduse prin mișcări mecanice. La rezolvarea problemelor pe un AVM de acest tip, este necesar, pe lângă variabilele de scalare, să se efectueze un calcul de forță al structurii și un calcul al mișcărilor moarte. Avantajele AVM-urilor mecanice sunt fiabilitatea ridicată și reversibilitatea, ceea ce face posibilă reproducerea operațiilor matematice directe și inverse. Dezavantajele acestui tip de AVM sunt costul ridicat, complexitatea producției, dimensiunile și greutatea mari, precum și un coeficient scăzut de eficiență în utilizarea unităților de calcul individuale. AVM-urile mecanice sunt utilizate în construcția de dispozitive de calcul foarte fiabile [6] .

Denumirea generală a structurilor de curgere (pneumatice și hidraulice) concepute pentru sarcini de calcul etc. este pneumonică (vezi Jet logic ) [7] .

AVM pneumatic

Un computer analog în care variabilele sunt reprezentate ca presiuni ale aerului ( gazului ) în diferite puncte dintr-o rețea special construită. Elementele unui astfel de AVM sunt sufocatoarele , rezervoarele și membranele. Chokes joaca rolul de rezistente, acestea pot fi constante, variabile, neliniare si reglabile. Recipientele pneumatice sunt camere oarbe sau cu flux, presiunea în care, datorită compresibilității aerului , crește pe măsură ce sunt umplute. Membranele sunt folosite pentru a converti presiunea aerului. AVM-ul pneumatic poate include amplificatoare , sumatori , integratori, convertoare funcționale și dispozitive de multiplicare, care sunt conectate între ele folosind fitinguri și furtunuri . AVM-urile pneumatice sunt inferioare ca viteză față de cele electronice. În medie, elementele în mișcare ale unui astfel de AVM au un timp de răspuns de aproximativ o zecime de milisecundă, prin urmare, pot trece frecvențe de ordinul a 10 kHz . Astfel de AVM-uri se disting prin erori semnificative, de aceea sunt folosite acolo unde nu pot fi utilizate alte tipuri de calculatoare: în medii explozive, în medii cu temperaturi ridicate, în sisteme automate de producție chimică. Datorită costului scăzut și fiabilității ridicate, astfel de AVM-uri sunt utilizate și în metalurgie, inginerie termică, industria gazelor etc. [6]

În anii 1960, au fost dezvoltate pentru a obține un mijloc de calcul discret cu duritate ridicată la radiații . Au fost dezvoltate elemente care efectuează operații logice de bază și elemente de memorie fără elemente mecanice în mișcare.

Astfel de elemente sunt foarte durabile, deoarece practic nu există părți mobile în ele și, ca urmare, nu există nimic de spart. În cazul înfundarii canalelor, matricele logice pot fi ușor demontate și spălate. Calculatorul pneumatic este alimentat de o rețea pneumatică industrială. Matricele logice sunt imprimate cu ușurință pe mașinile de turnat prin injecție din plastic. Pentru cazuri speciale, matricea poate fi realizată din ceramică refractară, fontă sau alt aliaj.

Acum calculatoarele pneumatice sunt folosite în industriile care necesită rezistență crescută la vibrații, performanță pe o gamă foarte largă de temperatură sau necesitatea de a controla dispozitivele pneumatice de alimentare. În acest din urmă caz, necesitatea convertoarelor electrice semnal-deplasare (convertor electropneumatic + poziționator ) este eliminată. Aceștia sunt roboți și automatizări care lucrează în metalurgie, în industria minieră. Există cazuri cunoscute de elemente de control ale motoarelor aeronavelor, sistemelor automate de rachete, acționărilor de putere ale elicopterelor și aeronavelor.

Există și o întreagă categorie de industrii, unități și instalații în care utilizarea energiei electrice, chiar și a celor mai mici tensiuni, este foarte nedorită. Acestea sunt chimia compușilor organici, rafinăriile de petrol, exploatarea subterană a cărbunelui și minereului. Ei folosesc pe scară largă automatizarea pneumatică .

AVM -uri hidraulice

V. S. Lukyanov a propus în 1934 principiul analogiilor hidraulice și în 1936 a implementat primul „ integrator hidraulic ” - un dispozitiv conceput pentru a rezolva ecuații diferențiale, a cărui funcționare se bazează pe fluxul de apă. Ulterior, astfel de dispozitive au fost folosite în zeci de organizații și au fost folosite până la mijlocul anilor 1980 [8] [9] .

Primele copii erau mai degrabă experimentale, făcute din tablă și tuburi de sticlă și fiecare putea fi folosită doar pentru o singură sarcină.

În 1941, Lukyanov a creat un integrator hidraulic cu un design modular, care a făcut posibilă asamblarea unei mașini pentru a rezolva diverse probleme.

În 1949, William Phillips a creat computerul hidraulic MONIAC , concentrat pe modelarea fluxurilor financiare.

În 1949-1955, Institutul NIISCHETMASH a dezvoltat un integrator sub formă de blocuri unificate standard. În 1955, la uzina de mașini de calcul și analitice din Ryazan , a început producția în serie de integratori cu marca fabricii "IGL" (integratorul de sistem hidraulic al lui Lukyanov).

În prezent, două hidrointegratoare Lukyanov sunt depozitate în Muzeul Politehnic [8] .

AVM- uri electrice

Acestea sunt calculatoare analogice în care variabilele sunt reprezentate de o tensiune electrică DC. Sunt utilizate pe scară largă datorită fiabilității ridicate, vitezei, ușurinței de gestionare și obținerii de rezultate.

AVM- uri combinate AVM- uri electromecanice

Un exemplu de AVM combinat este un AVM electromecanic, în care variabilele mașinii sunt cantități mecanice (de obicei unghiul de rotație) și electrice (de obicei tensiune). Transformatoarele rotative și tahogeneratoarele sunt specifice acestui tip de AVM. AVM-urile de acest tip sunt mai puțin fiabile decât cele mecanice din cauza prezenței contactelor glisante.

După caracteristicile de proiectare

Tipul matricei AVM

AVM de tip matrice (mașină analogică de grup) este o mașină analogică în care unitățile de calcul simple individuale sunt conectate rigid în grupuri tipice identice. Folosit în principal pentru modelarea ecuațiilor diferențiale . În acest caz, problema trebuie mai întâi redusă la un sistem de ecuații diferențiale de ordinul întâi echivalent cu acesta. Fiecare grup tipic de elemente de calcul este utilizat pentru a modela o ecuație. Un AVM de tip matrice necesită un anumit proces de scalare, în care valorile coeficienților unei coloane a matricei trebuie să aibă aceeași ordine. Setul de sarcini pe astfel de AVM-uri se reduce la stabilirea coeficienților și a condițiilor inițiale. Dezavantajul AVM de acest tip este eficiența scăzută a utilizării unităților individuale. Acest tip de AVM include în principal AVM-uri mecanice [6] .

AVM de tip structural

Mașină analogică cu funcționare structurală, în care cele mai simple unități de calcul sunt interconectate în conformitate cu operațiile matematice ale ecuației care se rezolvă. Folosit pentru modelare matematică.

Prin modul de funcționare

Fast AVM

AVM cu periodizare, cu repetare a soluției - un computer analog în care etapele de rezolvare a problemelor sunt repetate automat folosind un sistem de comutare. Limita ratei de repetiție este determinată de caracteristicile de frecvență ale elementelor de decizie. Elementele de calcul ale AVM cu acțiune simplă (amplificatoare operaționale, convertoare funcționale etc.) sunt potrivite pentru utilizare în AVM cu periodizare. În astfel de AVM-uri se folosesc integratori cu o constantă de timp mică. Proiectarea AVM-urilor de mare viteză este mai complexă decât cea a unui AVM cu acțiune simplă, deoarece circuitele speciale sunt utilizate pentru descărcarea condensatoarelor la sfârșitul unui ciclu și circuite pentru introducerea automată a valorilor inițiale la începutul fiecărui ciclu de calcul. Cel mai mare avantaj al acestui tip de AVM este capacitatea de a observa modificarea rezultatului în funcție de parametri în timp real. AVM-urile de mare viteză sunt utilizate pentru a aproxima funcția de transfer a unui sistem fizic dintr-o familie de răspunsuri tranzitorii ale acestuia, pentru a rezolva problemele cu valori la limită, pentru a calcula integrala Fourier și pentru a efectua analiza corelației .

AVM lent

Un computer analog cu o singură acțiune care utilizează integratori cu constante de timp relativ mari. Rezolvarea problemelor tipice pe astfel de AVM durează de la câteva secunde până la câteva minute. În acest caz, rezultatul modificării parametrilor poate fi fixat numai după finalizarea tuturor ciclurilor de calcul [6] .

AVM iterativ

Un computer analog care realizează procesul de rezolvare a unei probleme într-un mod iterativ pentru un anumit număr de iterații . Specificul unui astfel de AVM face posibilă controlul cursului calculelor în anumite momente de timp. De exemplu, este posibil să se proceseze valori de la ieșirile integratorilor și să se trimită informații de la un ciclu la altul, în funcție de condiții [6] .

Aplicație

Calculatoarele electronice analogice se bazează pe setarea caracteristicilor fizice ale componentelor lor. Acest lucru se face de obicei prin pornirea și oprirea unor elemente din circuitele care conectează aceste elemente cu fire și prin modificarea parametrilor rezistențelor variabile , capacităților și inductanțelor din circuite.

O transmisie automată auto este un exemplu de computer analog hidromecanic în care, pe măsură ce cuplul se modifică, fluidul din sistemul hidraulic schimbă presiunea, ceea ce face posibilă obținerea raportului de transmisie final dorit.

Înainte de apariția echipamentelor digitale puternice și fiabile, calculatoarele analogice au fost utilizate pe scară largă în tehnologia aviației și a rachetelor, pentru prelucrarea operațională a diverselor informații și generarea ulterioară de semnale de control în piloți automati și diverse sisteme automate de control al zborului mai complexe, sau alte procese specializate. .

Pe lângă aplicațiile tehnice (transmisii automate, sintetizatoare muzicale ), computerele analogice sunt folosite pentru a rezolva probleme specifice de calcul de natură practică. De exemplu, computerul analog mecanic cu came prezentat în fotografie a fost folosit în construcția de locomotive pentru a aproxima curbele de ordinul 4 folosind transformările Fourier .

În primele zboruri spațiale au fost folosite calculatoare mecanice și au afișat informații folosind deplasarea indicatorului de suprafață. De la primul zbor spațial cu echipaj până în 2002, fiecare navă spațială sovietică și rusă cu echipaj uman din seria Vostok , Voskhod și Soyuz a fost echipată cu un computer Globus care arăta mișcarea Pământului prin deplasarea unei copii în miniatură a globului și date despre latitudine și longitudine . 10] .

Echipament militar

În tehnologia militară, un alt nume a fost dezvoltat istoric pentru dispozitivele de calcul analogice pentru controlul focului de artilerie, bombardarea la mare altitudine și alte sarcini militare care necesită calcule complexe - acesta este un dispozitiv de calcul . Un exemplu este un dispozitiv de control al focului antiaerien .

Tehnologia analogică este interesantă pentru militari în două moduri: este extrem de rapidă, iar în condiții de interferență, performanța mașinii va fi restabilită de îndată ce interferența va dispărea.

Tehnologia modernă

Acum computerele analogice au făcut loc tehnologiilor digitale, sistemelor de automatizare și procesării semnalului bazate pe unele cipuri FPGA pentru semnale digitale și analogice „mixte”.

Reprezentanți

Dispozitivele de calcul analogice includ:

FERMIAC

FERMIAC  este un computer analog inventat de fizicianul Enrico Fermi în 1946 pentru a-i ajuta cercetările. Metoda Monte Carlo a fost folosită pentru a simula mișcarea neutronilor în diferite tipuri de sisteme nucleare. Având în vedere distribuția inițială a neutronilor, scopul modelării este de a dezvolta numeroase „genealogii de neutroni” sau modele ale comportamentului neutronilor individuali, inclusiv fiecare coliziune, împrăștiere și fisiune nucleară . La fiecare etapă, numere pseudoaleatoare au fost folosite pentru a lua decizii cu privire la comportamentul neutronilor , „generați” de setările tamburelor unui dispozitiv dat.

„Iterator”

"Iterator" este un AVM specializat conceput pentru a rezolva problemele de valori la limită liniare pentru sistemele de ecuații diferențiale liniare . Dezvoltat la Institutul de Cibernetică al Academiei de Științe a RSS Ucrainei în 1962 .

„Iteratorul” rezolvă problema valorii la limită prin metoda iterativă a lui Newton , reducând-o la rezolvarea mai multor ecuații diferențiale cu condiții inițiale date. Acest algoritm constă în determinarea matricei primelor derivate în raport cu componentele vectorului de condiții inițiale și căutarea automată a unei soluții la problema valorii la limită folosind această matrice. Datorită metodei aplicate, convergența procesului iterativ cu o anumită eroare de decizie admisibilă este asigurată în trei până la patru iterații.

Pe lângă sistemele de ecuații diferențiale cu coeficienți constanți și variabili de ordinul al 2- lea cu condiții la limită liniare, „Iterator” rezolvă sisteme de ecuații algebrice liniare de ordinul al n -lea cu o matrice arbitrară de coeficienți.

Caracteristici
  • ordinea maximă a sistemului de ecuații diferențiale de rezolvat este 8;
  • numărul maxim de puncte din intervalul de integrare inclus în condițiile la limită este de 3;
  • eroare maximă - până la 3%;
  • număr de amplificatoare operaționale  - 21;
  • consum de energie - 1kV·A.

„MN”

Familia de calculatoare analogice. Numele este o abreviere a cuvintelor „model neliniar”. Au fost concepute pentru a rezolva probleme Cauchy pentru ecuații diferențiale obișnuite . Cel mai perfect reprezentant al acestei serii de mașini a fost mașina MN-18  - un AVM de putere medie, conceput pentru a rezolva sisteme dinamice complexe descrise prin ecuații diferențiale până la ordinul al zecelea ca parte a unui sistem informatic analog-digital sau independent prin matematică . metode de modelare . Schema de control permite lansarea simultană și separată a integratorilor pe grupuri, rezolvarea unică a problemelor și rezolvarea repetitivă a problemelor. Este posibil să combinați până la patru mașini MN-18 într-un singur complex.

Caracteristicile MH-18
  • numărul de amplificatoare operaționale - 50;
  • ordinea maximă a ecuațiilor de rezolvat este 10;
  • gama de valori aplicate ± 50 V;
  • timp de integrare - 1000 s;
  • consum de energie - 0,5 kV × A.

Vezi, de asemenea, articolul MH-10 .

Fapte interesante

Creierul uman  este cel mai puternic și eficient „dispozitiv analogic” existent. Și deși transmiterea impulsurilor nervoase are loc datorită unor semnale discrete, informațiile din sistemul nervos nu sunt reprezentate în formă digitală. Neurocalculatoarele  sunt computere analogice, hibride (modele implementate pe computere digitale) construite pe elemente care funcționează similar cu celulele creierului [11] .

Vezi și

Note

  1. Copie arhivată (link nu este disponibil) . Consultat la 8 decembrie 2010. Arhivat din original la 23 ianuarie 2010.   1674
  2. https://polymus.ru/ru/persons/aleksey-krylov/ Copie de arhivă din 26 mai 2021 la Wayback Machine ALEXEY KRYLOV // Muzeul Politehnic
  3. ^ 1953 Training Film "Fire Control Computers": Part 1 Arhivat la 1 decembrie 2011 la Wayback Machine  , Part 2 Arhivat 7 ianuarie 2012 la Wayback Machine 
  4. http://www.nsc.ru/win/elbib/data/show_page.dhtml?77+87 Copie de arhivă din 3 septembrie 2021 la Glosarul de termeni Wayback Machine // Universitatea de Stat din Novosibirsk
  5. Perceptroni . Preluat la 8 decembrie 2010. Arhivat din original la 19 august 2011.
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 Dicționar de cibernetică / Ed. Academicianul V. S. Mihailevici . - Ed. a II-a. - K . : Ediția principală a Enciclopediei sovietice ucrainene numită după M. P. Bazhan, 1989. - 751 p. - (C48). — 50.000 de exemplare.  - ISBN 5-88500-008-5 .
  7. Zalmanzon L. A. Teoria elementelor pneumoniei .. - M . : Nauka, 1969. - 177 p.
  8. 1 2 Solovieva O. V. Hidrogeneratoare V. S. Lukyanova (link inaccesibil) . Muzeul Politehnic. Arhivat din original pe 28 martie 2012.  
  9. Solovieva O. Calculatoare cu apă  // „Știință și viață”: Jurnal. - M. , 2000. - Nr. 4 .
  10. Calculatoare după tipul de mediu de lucru . Preluat la 3 septembrie 2021. Arhivat din original la 3 septembrie 2021.
  11. Gorban A. N. Neurocomputer, sau copia Analog Renaissance Archival din 12 mai 2013 la Wayback Machine , PC World, 1994, nr. 10, 126-130.

Link -uri