Az analóg számítógép vagy analóg számítógép ( AVM ) olyan számítógép , amely analóg fizikai paraméterek ( sebesség , hossz , feszültség , áram , nyomás ) segítségével numerikus adatokat reprezentál , ami a fő különbsége a digitális számítógépektől .. Egy másik alapvető különbség, hogy nincs a számítógépben tárolt program, amelynek vezérlése alatt egy és ugyanaz a számítógép különféle problémákat tud megoldani. A megoldandó feladatot (feladatosztály) szigorúan meghatározza az AVM belső felépítése és az elvégzett beállítások (bekötések, beépített modulok, szelepek stb.). Egy új probléma megoldásához még az univerzális AVM-ek esetében is át kellett alakítani az eszköz belső szerkezetét.
Megjegyzés: összehasonlításképpen a digitális számítástechnikai eszközök fejlesztésének egyes szakaszait feltüntettük.
Az egyik legősibb analóg eszköz az Antikythera mechanizmus – egy mechanikus eszköz, amelyet 1902-ben fedeztek fel egy ősi elsüllyedt hajón a görög Antikythera sziget közelében . Körülbelül ie 100-ra keltezték. e. (talán ie 150 előtt). Az athéni Nemzeti Régészeti Múzeumban őrzik .
Asztrológusok és csillagászok használták az analóg asztrolábiumot az ie 4. századtól a Kr. u. 19. századig. Ezzel a műszerrel határozták meg a csillagok helyzetét az égen, és számították ki a nappal és az éjszaka hosszát. Az asztrolábium modern leszármazottja a planiszféra , a csillagos ég mozgatható térképe, amelyet oktatási célokra használnak.
Működés közben egy analóg számítógép egy számítási folyamatot szimulál, miközben a digitális adatokat reprezentáló jellemzők idővel folyamatosan változnak.
Az analóg számítógép eredménye vagy papíron vagy oszcilloszkóp képernyőjén ábrázolt grafikonok , vagy egy folyamat vagy mechanizmus vezérlésére használt elektromos jel.
Ezek a számítógépek ideálisan [6] alkalmasak a gyártási folyamatok automatikus vezérlésére, mert azonnal [6] reagálnak a bemeneti adatok különböző változásaira. Munkájuk általános sebessége azonban alacsony, mivel a számítások nagyrészt a reaktív komponensekben lévő tranzienseken alapulnak, és korlátozzák a műveleti erősítők frekvenciasávja és terhelhetősége is. Az ilyen számítógépeket széles körben használták a tudományos kutatásban. Például olyan kísérletekben, amelyekben olcsó elektromos vagy mechanikus eszközök képesek szimulálni a vizsgált helyzeteket.
Számos esetben az analóg számítógépek segítségével megoldhatók a problémák úgy, hogy a számítások pontosságát kevésbé kell figyelembe venni, mint amikor egy programot írunk egy digitális számítógépre. Például az elektronikus analóg számítógépeknél a differenciálegyenletek megoldását , az integrációt vagy a differenciálást igénylő feladatok problémamentesen valósulnak meg . Mindegyik művelethez speciális áramköröket és csomópontokat használnak, általában műveleti erősítők használatával . Ezenkívül az integráció könnyen megvalósítható a hidraulikus analóg gépeken.
Az analóg számítógépek összes funkcionális blokkja számos csoportra osztható:
Az univerzális AVM-ek általában a következőket tartalmazzák:
használt még:
Az AVM minőségi tényezője egy analóg számítógép általános jellemzője, amelyet a következő képlettel számítanak ki:
,ahol a gépváltozó lehetséges maximális értéke, a gépváltozó lehetséges értékének alsó határa. A határértékeket általában kísérleti úton határozzák meg. A számérték függ az interferencia mértékétől, az analóg funkcionális blokkok hibáitól, a használt mérőberendezés pontosságától. Az erős AVM-ek minőségi tényezője meghaladja a [6] -ot .
Minden AVM két fő csoportra osztható:
Analóg számítógép, amelyben a gépi változókat mechanikus mozgások reprodukálják. Az ilyen típusú AVM-eken történő problémák megoldása során a változók skálázása mellett szükség van a szerkezet erőszámítására és a holtmozgások számítására is. A mechanikus AVM-ek előnyei a nagy megbízhatóság és reverzibilitás, amely lehetővé teszi a direkt és inverz matematikai műveletek reprodukálását. Az ilyen típusú AVM hátrányai a magas költségek, a gyártás bonyolultsága, a nagy méretek és súly, valamint az alacsony hatékonysági együttható az egyes számítási egységek használatában. A mechanikus AVM-eket rendkívül megbízható számítástechnikai eszközök felépítésében használják [6] .
A számítási, stb. feladatokhoz tervezett áramlásos (pneumatikus és hidraulikus) szerkezetek általános elnevezése pneumonics (lásd Jet logic ) [7] .
AVM pneumatikusAnalóg számítógép, amelyben a változókat levegő ( gáz ) nyomásként ábrázolják egy speciálisan kialakított hálózat különböző pontjain. Az ilyen AVM elemei fojtók , tartályok és membránok. A fojtók az ellenállások szerepét töltik be, lehetnek állandóak, változtathatóak, nemlineárisak és állíthatóak. A pneumatikus tartályok vak vagy áramlási kamrák, amelyekben a nyomás a levegő összenyomhatósága miatt növekszik, ahogy megtöltik. A membránokat a légnyomás átalakítására használják. A pneumatikus AVM tartalmazhat erősítőket , összeadókat , integrátorokat, funkcionális átalakítókat és sokszorosító eszközöket, amelyeket szerelvények és tömlők segítségével csatlakoztatnak egymáshoz . A pneumatikus AVM-ek sebessége gyengébb az elektronikusakénál. Egy ilyen AVM mozgó elemeinek válaszideje átlagosan körülbelül egytized ezredmásodperc, ezért 10 kHz -es nagyságrendű frekvenciákat képesek átengedni . Az ilyen AVM-eket jelentős hibák különböztetik meg, ezért ott használják őket, ahol más típusú számítógépek nem használhatók: robbanásveszélyes környezetben, magas hőmérsékletű környezetben, automatikus vegyszergyártó rendszerekben. Alacsony költségük és nagy megbízhatóságuk miatt az ilyen AVM-eket a kohászatban, hőenergiában, gáziparban stb. is használják [6] .
Az 1960-as években úgy fejlesztették ki őket, hogy olyan diszkrét számítástechnikai eszközöket hozzanak létre, amelyek nagy sugárzási keménységgel rendelkeznek . Olyan elemeket fejlesztettek ki, amelyek alapvető logikai műveleteket és memóriaelemeket hajtanak végre mechanikus mozgó elemek nélkül.
Az ilyen elemek nagyon tartósak, mivel gyakorlatilag nincs bennük mozgó alkatrész, és ennek eredményeként nincs mit eltörni. A csatornák eltömődése esetén a logikai mátrixok könnyen szétszedhetők és moshatók. A pneumatikus számítógépet ipari pneumatikus hálózat táplálja. A logikai mátrixok könnyen rányomhatók a műanyag fröccsöntő gépekre. Különleges esetekben a mátrix készülhet tűzálló kerámiából, öntöttvasból vagy más ötvözetből.
Manapság a pneumatikus számítógépeket olyan iparágakban használják, amelyek fokozott rezgésállóságot, nagyon széles hőmérsékleti tartományban teljesítőképességet vagy pneumatikus erőátviteli eszközök vezérlését igénylik. Ez utóbbi esetben nincs szükség elektromos jel-elmozdulás átalakítókra ( elektropneumatikus átalakító + pozicionáló ). Ezek a kohászatban, a bányászatban dolgozó robotok és automatizálás. Ismertek esetek repülőgép-hajtóművek, automata rakétarendszerek, helikopterek és repülőgépek hajtóművei elemeinek vezérlésére.
Az iparágak, egységek és létesítmények egész kategóriája is létezik, ahol a villamos energia felhasználása, még a legalacsonyabb feszültségek is, nagyon nem kívánatos. Ezek a szerves vegyületek kémiája, az olajfinomítók, a szén és az érc földalatti bányászata. Széles körben alkalmazzák a pneumatikus automatizálást .
Hidraulikus AVM-ekV. S. Lukyanov 1934-ben javasolta a hidraulikus analógiák elvét, és 1936-ban bevezette az első " hidraulikus integrátort " - a differenciálegyenletek megoldására tervezett eszközt, amelynek működése a víz áramlásán alapul. Ezt követően az ilyen eszközöket több tucat szervezetben használták, és az 1980-as évek közepéig használták [8] [9] .
Az első példányok meglehetősen kísérleti jellegűek voltak, ónból és üvegcsövekből készültek, és mindegyik csak egy feladatra volt használható.
1941-ben Lukyanov megalkotta a moduláris felépítésű hidraulikus integrátort, amely lehetővé tette egy gép összeállítását különféle problémák megoldására.
1949-ben William Phillips megalkotta a MONIAC hidraulikus számítógépét , amely a pénzügyi folyamatok modellezésére összpontosított.
1949-1955-ben a NIISCHETMASH Intézet kifejlesztett egy integrátort szabványos egységes blokkok formájában. 1955-ben a rjazani számoló- és elemzőgépek üzemében megkezdődött az "IGL" (Lukyanov hidraulikus rendszerintegrátora) gyári márkájú integrátorok sorozatgyártása.
Jelenleg két Lukyanov hidrointegrátort tárolnak a Politechnikai Múzeumban [8] .
Elektromos AVM-ekEzek olyan analóg számítógépek, amelyekben a változókat egyenáramú elektromos feszültség képviseli. Széles körben használják nagy megbízhatóságuk, gyorsaságuk, könnyű kezelhetőségük és eredmények elérése miatt.
Kombinált AVM-ek Elektromechanikus AVM-ekA kombinált AVM például egy elektromechanikus AVM, amelyben a gépi változók a mechanikai (általában forgásszög) és elektromos (általában feszültség) mennyiségek. A forgótranszformátorok és tachogenerátorok kifejezetten erre a típusú AVM-re vonatkoznak. Az ilyen típusú AVM-ek a csúszóérintkezők jelenléte miatt kevésbé megbízhatóak, mint a mechanikusak.
A mátrix típusú AVM (csoportanalóg gép) olyan analóg gép, amelyben az egyes egyszerű számítási egységek mereven, azonos tipikus csoportokba kapcsolódnak. Főleg differenciálegyenletek modellezésére használják . Ebben az esetben a problémát először egy vele egyenértékű elsőrendű differenciálegyenlet-rendszerre kell redukálni. A számítási elemek minden tipikus csoportja egy egyenlet modellezésére szolgál. A mátrix típusú AVM-nek egy bizonyos skálázási folyamatra van szüksége, amelyben a mátrix egy oszlopának együtthatóinak azonos sorrendben kell lenniük. Az ilyen AVM-eken a feladatkészlet az együtthatók és a kezdeti feltételek beállítására korlátozódik. Az ilyen típusú AVM hátránya az egyes blokkok használatának alacsony hatékonysága. Ez a fajta AVM főként mechanikus AVM-eket tartalmaz [6] .
Strukturális típusú AVMStrukturálisan működő analóg gép, amelyben a legegyszerűbb számítási egységek a megoldandó egyenlet matematikai műveleteinek megfelelően kapcsolódnak egymáshoz. Matematikai modellezéshez használják.
AVM periodizálással, a megoldás ismétlésével - analóg számítógép, amelyben a problémák megoldásának szakaszai automatikusan megismétlődnek egy kapcsolórendszer segítségével. Az ismétlési gyakoriság határát a döntési elemek gyakorisági jellemzői határozzák meg. Az AVM egyműködésű számítási elemei (műveleti erősítők, funkcionális konverterek stb.) alkalmasak periodizációs AVM-ben történő használatra. Az ilyen AVM-ekben kis időállandójú integrátorokat használnak. A nagy sebességű AVM-ek kialakítása összetettebb, mint az egyszeres működésű AVM-eké, mivel speciális áramköröket használnak a kondenzátorok kisütésére egy ciklus végén, és áramköröket a kezdeti értékek automatikus bevitelére az egyes számítási ciklusok elején. Az ilyen típusú AVM legnagyobb előnye, hogy valós időben figyelheti meg az eredmény változását a paraméterek függvényében. A nagy sebességű AVM-eket arra használják, hogy közelítsék a fizikai rendszer átviteli függvényét a tranziens válaszok családjából, határérték-problémákat oldjanak meg, kiszámítsák a Fourier-integrált , és korrelációelemzést végezzenek .
Lassú AVMEgyműködésű analóg számítógép, amely viszonylag nagy időállandójú integrátorokat használ. Az ilyen AVM-ek tipikus problémáinak megoldása néhány másodperctől néhány percig tart. Ebben az esetben a paraméterek változtatásának eredménye csak az összes számítási ciklus befejezése után rögzíthető [6] .
Iteratív AVMAnalóg számítógép, amely bizonyos számú iteráción keresztül iteratív módon hajtja végre a probléma megoldását . Az ilyen AVM sajátossága lehetővé teszi a számítások menetének vezérlését adott időpontokban. Például lehetőség van az integrátorok kimeneteiből származó értékek feldolgozására, és információk küldésére egyik ciklusból a másikba, a feltételektől függően [6] .
Az analóg elektronikus számítógépek alkatrészeik fizikai jellemzőinek beállításán alapulnak. Ez általában úgy történik, hogy az áramkörök egyes elemeit be- és kikapcsolják, amelyek ezeket az elemeket vezetékekkel kötik össze, és megváltoztatják az áramkörök változó ellenállásainak , kapacitásainak és induktivitásának paramétereit .
Az autóipari automata sebességváltó egy példa egy hidromechanikus analóg számítógépre, amelyben a nyomaték változásával a hidraulikus hajtásban lévő folyadék nyomást változtat, ami lehetővé teszi a kívánt végső áttételi arány elérését.
A nagy teljesítményű és megbízható digitális berendezések megjelenése előtt az analóg számítógépeket széles körben használták a repülés- és rakétatechnológiában, különféle információk operatív feldolgozására és az azt követő vezérlőjelek generálására autopilótákban és különféle bonyolultabb automatikus repülésvezérlő rendszerekben vagy más speciális folyamatokban. .
A technikai alkalmazásokon (automatikus sebességváltók, zenei szintetizátorok ) kívül az analóg számítógépeket speciális, gyakorlati jellegű számítási problémák megoldására is használják. Például a képen látható bütykös mechanikus analóg számítógépet mozdonyépítésben használták a 4. rendű görbék közelítésére Fourier-transzformáció segítségével .
Az első űrrepüléseknél mechanikus számítógépeket használtak, és a felszíni indikátor elmozdulásával jelenítették meg az információkat. Az első emberes űrrepüléstől 2002-ig a Vosztok , Voszkhod és Szojuz sorozat minden emberes szovjet és orosz űrrepülőgépe fel volt szerelve egy Globus számítógéppel, amely a Föld mozgását a földgömb miniatűr másolatának elmozdulásán keresztül, valamint a szélességi és hosszúsági adatokkal mutatja . 10] .
A katonai technológiában történelmileg egy másik nevet fejlesztettek ki a tüzérségi tűzvezérléshez, nagy magasságú bombázáshoz és egyéb katonai feladatokhoz, amelyek bonyolult számításokat igényelnek - ez egy számítási eszköz . Példa erre egy légvédelmi tűzvezérlő berendezés .
Az analóg technológia két szempontból is érdekes a katonaság számára: rendkívül gyors, és interferencia esetén a gép teljesítménye azonnal helyreáll, amint az interferencia megszűnik.
Mostanra az analóg számítógépek átadták helyét a digitális technológiáknak, az automatizálási rendszereknek és a jelfeldolgozásnak, amely egyes FPGA chipeken alapul , „vegyes” digitális és analóg jelek számára.
Az analóg számítástechnikai eszközök a következők:
A FERMIAC egy analóg számítógép, amelyet Enrico Fermi fizikus talált fel 1946-ban, hogy segítse kutatásait. A Monte Carlo-módszert a neutronok mozgásának szimulálására használták különféle típusú nukleáris rendszerekben. Tekintettel a neutronok kezdeti eloszlására, a modellezés célja számos "neutron genealógia" vagy az egyes neutronok viselkedésének modellje kidolgozása, beleértve az egyes ütközéseket, szóródásokat és maghasadásokat . Minden szakaszban pszeudo-véletlen számokat használtak a neutronok viselkedésével kapcsolatos döntések meghozatalához , amelyeket egy adott eszköz dobjainak beállításai "generáltak".
Az "Iterator" egy speciális AVM, amelyet a lineáris differenciálegyenlet-rendszerek lineáris határérték-problémáinak megoldására terveztek . Az Ukrán SSR Tudományos Akadémia Kibernetikai Intézetében fejlesztették ki 1962 -ben .
Az "Iterátor" a határérték problémát Newton iteratív módszerével oldja meg, redukálva azt több differenciálegyenlet megoldására adott kezdeti feltételekkel. Ez az algoritmus abból áll, hogy meghatározza az első deriváltak mátrixát a kezdeti feltételvektor komponenseihez képest, és ennek a mátrixnak a segítségével automatikusan keresi a megoldást a határérték-problémára . Az alkalmazott módszernek köszönhetően az iteratív folyamat konvergenciája adott megengedhető döntési hibával három-négy iterációban biztosított.
A lineáris peremfeltételekkel rendelkező, 2. rendű állandó és változó együtthatókkal rendelkező differenciálegyenletrendszerek mellett az " Iterátor " n -edrendű lineáris algebrai egyenletrendszereket is megold egy tetszőleges együtthatómátrixszal.
JellemzőkAnalóg számítógépek családja. A név a "nemlineáris modell" szavak rövidítése. Úgy tervezték, hogy megoldja a Cauchy -problémákat közönséges differenciálegyenletekre . Ennek a gépsorozatnak a legtökéletesebb képviselője az MN-18 gép volt - egy közepes teljesítményű AVM, amelyet komplex dinamikus rendszerek megoldására terveztek, amelyeket differenciálegyenletekkel írnak le tizedik rendjig egy analóg-digitális számítógépes rendszer részeként vagy függetlenül matematikai módszerekkel. modellezési módszerek. A vezérlési séma lehetővé teszi az integrátorok csoportonkénti egyidejű és külön indítását, egyszeri problémamegoldást és ismétlődő problémamegoldást. Legfeljebb négy MN-18 gépet lehet egyetlen komplexummá kombinálni.
Az MH-18 jellemzőiLásd még az MH-10 cikket .
Az emberi agy a létező legerősebb és leghatékonyabb "analóg eszköz". És bár az idegimpulzusok átvitele diszkrét jelek miatt történik, az idegrendszerben lévő információ nem digitális formában jelenik meg. A neurokomputerek analóg, hibrid számítógépek (digitális számítógépeken megvalósított modellek), amelyek az agysejtekhez hasonlóan működő elemekre épülnek [11] .
Szótárak és enciklopédiák | ||||
---|---|---|---|---|
|
Számítógépes órák | |
---|---|
Feladatok szerint | |
Az adatok bemutatásával | |
Számrendszer szerint | |
Munkakörnyezet szerint | |
Bejelentkezés alapján | |
Szuperszámítógépek | |
Kicsi és mobil |
A Szovjetunió számítógépei | ||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||
|