АНАЛОГОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, КОМПОНЕНТЫ, ТИПЫ - ТЕХНОЛОГИЯ - 2024

Эти аналоговые компьютеры представляют собой тип компьютера , который использует непрерывно меняющиеся аспекты физических явлений, такие как электрические величины, механические или гидравлические, для моделирования проблемы решается.

То есть это компьютеры, которые работают с числами, представленными непосредственно измеряемыми непрерывными значениями, такими как давление, температура, напряжение, скорость и вес. Напротив, цифровые компьютеры представляют эти значения символически.

Источник: X-15_Analog_computer Как это сделано - https://www.youtube.com/watch?v=PW1NAcZLDgs, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52164169

Аналоговые компьютеры могут иметь очень широкий диапазон сложности. Самыми простыми являются логарифмические линейки и номограммы, а компьютеры, управляющие военно-морскими орудиями, и большие гибридные цифровые / аналоговые компьютеры - одни из самых сложных. В то время это были первые компьютерные машины.

Системы управления технологическим процессом и реле защиты используют аналоговые вычисления для выполнения функций управления и защиты.

В 1960-х годах основным производителем была американская компания Electronic Associates со своим аналоговым компьютером 231R с электронными лампами и 20 интеграторами. Позже, с его аналоговым компьютером 8800, с твердотельными операционными усилителями и 64 интеграторами.

Замена цифровыми компьютерами

В 60-х 70-х годах цифровые компьютеры, основанные сначала на электронных лампах, а затем на транзисторах, интегральных схемах и микропроцессорах, стали более экономичными и точными.

Это привело к тому, что цифровые компьютеры в значительной степени вытеснили аналоговые. Однако аналоговые компьютеры продолжали использоваться в научных и промышленных приложениях, потому что в то время они обычно были намного быстрее.

Например, они продолжали использоваться в некоторых конкретных приложениях, таких как бортовой компьютер в самолетах.

Более сложные приложения, такие как радар с синтезированной апертурой, оставались под доминированием аналоговых вычислений вплоть до 1980-х годов, так как цифровых компьютеров для этой задачи было недостаточно.

Исследования аналоговых вычислений все еще продолжаются. Некоторые университеты до сих пор используют аналоговые компьютеры для преподавания теории систем управления.

характеристики

Обработка аналоговых данных

Аналоговый компьютер используется для обработки аналоговых данных, таких как напряжение, температура, давление, скорость и т. Д. Он непрерывно хранит эти данные о физических величинах и выполняет вычисления с помощью этих измерений.

Он сильно отличается от цифрового компьютера, который использует символические числа для представления результатов.

Аналоговые компьютеры отлично подходят для ситуаций, когда необходимо измерять данные напрямую, без преобразования их в числа или коды.

Использование аналоговых сигналов

Аналоговый компьютер использует аналоговый сигнал, который может быть представлен в виде непрерывной или синусоидальной волны, которая содержит значения, изменяющиеся во времени.

Аналоговый сигнал может различаться по амплитуде или частоте. Значение амплитуды - это интенсивность сигнала, относящаяся к его самой высокой точке, называемой гребнем, и ее самым низким точкам. С другой стороны, значение частоты - это ее физическая длина слева направо.

Примеры аналоговых сигналов: звук или человеческая речь через наэлектризованный медный провод.

Аналоговым компьютерам не требуется никакого объема памяти, поскольку они измеряют и сравнивают количества за одну операцию.

Ограниченная точность

Аналоговые представления имеют ограниченную точность, обычно до нескольких десятичных знаков.

Точность аналогового компьютера ограничена его вычислительными элементами, а также качеством внутреннего питания и электрических соединений.

Это в основном ограничивается точностью используемого считывающего оборудования, которая обычно составляет три или четыре десятичных знака.

программирование

Программирование на аналоговом компьютере включает преобразование уравнений задачи в аналоговую компьютерную схему.

Для чего нужны аналоговые компьютеры?

Они используются для представления данных в виде измеримых величин, таких как напряжение или вращение шестерни, чтобы решить проблему, вместо того, чтобы выражать данные в виде чисел.

Мониторинг и контроль

В системах мониторинга и управления они используются для определения формулы управления и расчета параметров процесса, таких как КПД, мощность, производительность и другие.

Если вы можете назначить математическое выражение, которое определяет связь параметра с координатами объекта, аналоговый компьютер может решить соответствующее уравнение.

Например, аналоговые компьютеры широко используются для оценки экономической эффективности энергосистем и могут служить в качестве автоматических регуляторов.

Они часто используются для управления процессами, например, на нефтеперерабатывающих заводах, где важны непрерывные измерения расхода и температуры.

Расширенный анализ

Повторно решая систему уравнений, описывающую управляемый процесс, аналоговый компьютер может сканировать большое количество альтернативных решений за короткое время. Для этого используются разные значения параметров, которые могут изменяться в процессе.

Требуемое качество можно гарантировать с помощью сигналов управления, передаваемых аналоговым компьютером.

Значения, определенные компьютером, передаются в регулирующее устройство, которое регулирует контрольные точки.

Определение тревожных или полезных сигналов

Величина мешающего или полезного сигнала определяется с помощью дифференциальных уравнений, описывающих динамическую систему, значения начальных условий, в дополнение к изменениям, определенным в статистике, измеряющей шум и сигнал.

Аналоговый компьютер может также использоваться для создания приборов, которые автоматически регистрируют нарушения и выдают управляющий сигнал, который будет зависеть от характера и количества нарушений.

Моделирование динамических систем

Моделирование можно проводить в реальном времени или на очень высоких скоростях, что позволяет экспериментировать с повторными запусками с измененными переменными.

Они широко используются в моделировании самолетов, атомных электростанциях, а также в промышленных химических процессах.

Составные части

Операционный усилитель

Большинство электрических аналоговых компьютеров работают, управляя напряжениями или разностью потенциалов. Его основным компонентом является операционный усилитель, который представляет собой устройство, выходной ток которого пропорционален его входной разности потенциалов.

Путем протекания этого выходного тока через соответствующие компоненты получается больше разностей потенциалов, и может выполняться широкий спектр математических операций, включая сложение, вычитание, инверсию и интегрирование.

Электрический аналоговый компьютер состоит из множества типов усилителей. Их можно соединить для создания математического выражения большой сложности с множеством переменных.

Гидравлические компоненты

Ключевые гидравлические компоненты могут включать трубы, клапаны и контейнеры.

Механические компоненты

Могут быть оси вращения для передачи данных внутри компьютера, дифференциальные шестерни, дисковые, шариковые или роликовые интеграторы, двумерные и трехмерные кулачки, механические резольверы и умножители, а также сервомоменты.

Электрические и электронные компоненты

- Прецизионные резисторы и конденсаторы.

- Операционные усилители.

- Множители.

- Потенциометры.

- Исправлены генераторы функций.

По характеру математических операций

линейный

Линейные компоненты выполняют операции сложения, интегрирования, изменения знака, умножения на константу и другие.

Нелинейный

Генераторы функций воспроизводят нелинейные отношения. Существуют компьютерные компоненты, предназначенные для воспроизведения назначенной функции с помощью одного, двух или более аргументов.

В этом классе принято различать устройства, воспроизводящие прерывистые функции с одним аргументом, и устройства с делителем умножения.

логический

Среди логических компонентов есть аналоговые логические устройства, предназначенные для разделения большего или меньшего количества между различными величинами, дискретные логические устройства, схемы переключения реле и некоторые другие специальные устройства.

Все логические устройства обычно объединяются в одно, называемое параллельным логическим устройством. Он оснащен собственной коммутационной панелью для подключения отдельных логических устройств друг к другу и к другим аналоговым компонентам компьютера.

Типы

Механические компьютеры

Они построены из механических компонентов, таких как рычаги и шестерни, а не из электронных компонентов.

Наиболее распространенными примерами являются счетные машины и механические счетчики, которые используют вращение шестерен для выполнения сложения или подсчета. На более сложных примерах можно проводить умножение и деление и даже дифференциальный анализ.

Наиболее практичные механические компьютеры используют вращающиеся оси для передачи переменных от одного механизма к другому.

В синтезаторе Фурье, который был машиной для предсказания приливов и отливов, использовались тросы и шкивы, которые добавляли гармонические составляющие.

Важно упомянуть о механических полетных приборах ранних космических аппаратов, которые показывали результат расчета не в виде цифр, а через смещения индикаторных поверхностей.

Пилотируемые советские космические корабли были оснащены прибором под названием Глобус. Это показало образное движение Земли посредством перемещения миниатюрного земного шара, в дополнение к указателям широты и долготы.

Электрические компьютеры

Они более распространены, поскольку имеют значительно более широкую полосу пропускания и удобны для подключения к другим компьютерам и элементам управления устройства.

Они используют электрические сигналы, которые проходят через различные резисторы и конденсаторы, для моделирования физических явлений, а не механического взаимодействия компонентов.

Конструкция аналоговых элементов компьютера основана на электронных усилителях постоянного тока. У них высокий коэффициент усиления в режиме разомкнутой цепи.

В зависимости от структуры входных цепей и цепей обратной связи операционный усилитель выполняет либо линейную, либо нелинейную математическую операцию. Также комбинация этих операций.

Аналоговые компьютеры этого типа широко использовались в вычислительной технике и военной технике в середине 20 века, например, при испытаниях самолетов и ракет.

Отличия от цифровых

Передача сигнала

Цифровые сигналы имеют два дискретных состояния: выключено или включено. В выключенном состоянии - ноль вольт, во включенном - пять вольт. Вот почему цифровые компьютеры используют данные двоичных чисел в форме 0 и 1.

Аналоговые сигналы непрерывны. Они могут быть где угодно между двумя крайними значениями, например, от -15 до +15 вольт. Напряжение аналогового сигнала может быть постоянным или изменяться во времени.

То есть в аналоговых компьютерах данные передаются в виде непрерывных сигналов. В цифровых компьютерах они передаются в виде дискретных сигналов.

Типы цепей

Аналоговые компьютерные схемы используют операционные усилители, генераторы сигналов, резистивные цепи и конденсаторы. Эти схемы обрабатывают непрерывные сигналы напряжения.

Цифровые компьютеры используют различные схемы включения / выключения, такие как микропроцессоры, генераторы тактовых импульсов и логические вентили.

То есть цифровой компьютер использует электронные схемы, в то время как аналоговый компьютер использует резисторы для непрерывного потока сигнала.

точность

Аналоговые компьютеры должны иметь дело с определенным уровнем электрических шумов в цепях, влияющих на их точность. В цепях цифрового компьютера также есть электрические помехи, хотя это не влияет на точность или надежность.

С другой стороны, аналоговый компьютер не может давать повторяющиеся результаты с точным совпадением. Это означает, что аналоговые компьютеры менее точны по сравнению с цифровыми компьютерами.

программирование

Можно программировать как аналоговые, так и цифровые компьютеры, хотя методы разные.

Цифровые компьютеры используют сложные последовательности инструкций, такие как сравнение или умножение двух чисел или перемещение данных из одного места в другое.

Для программирования аналогового компьютера разные подсистемы электрически соединяются друг с другом кабелями. Например, генератор сигнала подключен к ручке управления, чтобы изменять интенсивность сигнала.

Примеры

Замковые часы

Этот знаменитый компьютер был способен хранить инструкции по программированию. На высоте более трех метров устройство отображало время, зодиак, а также орбиты Солнца и Луны.

Таким образом, вычислительная часть устройства позволяла пользователям устанавливать переменную продолжительность дня в зависимости от сезона. Описанный в 1206 году, этот компьютер был очень сложным для своего времени.

Логарифмическая линейка

Один из самых простых и узнаваемых механических аналоговых компьютеров - логарифмическая линейка. Это прибор для приближенных основных математических расчетов.

Пользователи перемещают отмеченный стержень, чтобы совместить его с различными отметками на другом стержне, таким образом считывая устройство на основе совмещения этих различных отметок.

Дифференциальный анализатор

Этот механический аналоговый компьютер был способен решать дифференциальные уравнения. Разработанный еще в начале 1800-х годов, дифференциальный анализатор был усовершенствован в 1930-х годах и использовался до середины 20-го века.

Считается первым современным компьютером. Он весил 100 тонн и содержал 150 двигателей, плюс сотни миль кабелей, соединяющих реле и вакуумные лампы.

По сегодняшним меркам машина была медленной. Фактически, он был всего в сто раз быстрее, чем человек-оператор, использующий настольный калькулятор.

Другие примеры

- Предсказатель Керрисон.

- Либраскоп, балансировочный компьютер самолета.

- Механические интеграторы, такие как планиметр.

- Номограмма.

- Бомбардировочный козырек Norden.

- Компьютеры, связанные с управлением огнем.

- Водные интеграторы.

- MONIAC, экономическое моделирование.

Совет по симуляции был ассоциацией пользователей аналоговых компьютеров в США.

Информационные бюллетени Simulation Council с 1952 по 1963 год доступны онлайн. Они показывают технологии того времени, а также обычное использование аналоговых компьютеров.

Ссылки

1. Википедия, бесплатная энциклопедия (2019). Аналоговый компьютер. Взято с: en.wikipedia.org.
2. Техопедия (2019). Аналоговый компьютер. Взято с: потолокpedia.com.
3. Динеш Такур (2019). Что такое аналоговый компьютер? - Определение. Электронный компьютер Заметки. Взято с: ecomputernotes.com.
4. Британская энциклопедия (2019). Аналоговый компьютер. Взято с: britannica.com.
5. Джон Папевски (2019). 10 различий между аналоговыми и цифровыми компьютерами. Взято с: techwalla.com.
6. Бесплатный словарь (2019). Аналоговый компьютер. Взято с сайта encyclopedia2.thefreedictionary.com.
7. Энциклопедия (2002). Компьютер, аналог. Взято с сайта encyclopedia.com.