Analog computer

En analog computer eller en analog computer ( AVM ) er en computer , der repræsenterer numeriske data ved hjælp af analoge fysiske parametre ( hastighed , længde , spænding , strøm , tryk ), hvilket er dens væsentligste forskel fra en digital computer. En anden grundlæggende forskel er manglen på et gemt program i computeren, hvorunder en og samme computer kan løse forskellige problemer. Opgaven, der skal løses (klasse af opgaver) er strengt bestemt af AVM'ens interne struktur og de foretagne indstillinger (forbindelser, installerede moduler, ventiler osv.). Selv for universelle AVM'er krævede løsning af et nyt problem en omstrukturering af enhedens interne struktur.

Historie

Bemærk: til sammenligning er individuelle stadier i udviklingen af ​​digitale computerenheder angivet.

En af de ældste analoge enheder anses for at være Antikythera-mekanismen  - en mekanisk enhed opdaget i 1902 på et gammelt sunket skib nær den græske ø Antikythera . Dateret til omkring 100 f.Kr. e. (måske før 150 f.Kr.). Bevaret på det nationale arkæologiske museum i Athen .

Astrologer og astronomer brugte det analoge astrolabium fra det 4. århundrede f.Kr. indtil det 19. århundrede e.Kr. Dette instrument blev brugt til at bestemme stjernernes position på himlen og beregne længden af ​​dagen og natten. Den moderne efterkommer af astrolabiet er planisfæren  , et bevægeligt kort over stjernehimlen, der bruges til uddannelsesformål.

Sådan virker det

I drift simulerer en analog computer en beregningsproces, mens egenskaberne, der repræsenterer digitale data , konstant ændrer sig over tid.

Resultatet af en analog computer er enten grafer afbildet på papir eller på en oscilloskopskærm eller et elektrisk signal, der bruges til at styre en proces eller en mekanisme.

Disse computere er ideelt [6] velegnede til automatisk styring af produktionsprocesser, fordi de øjeblikkeligt [6] reagerer på forskellige ændringer i inputdata. Men den samlede hastighed af deres arbejde er lav, da beregningerne i vid udstrækning er baseret på transienter i reaktive komponenter, og også er begrænset af frekvensbåndet og belastningskapaciteten af ​​operationsforstærkere. Sådanne computere blev meget brugt i videnskabelig forskning. For eksempel i eksperimenter, hvor billige elektriske eller mekaniske enheder er i stand til at simulere de undersøgte situationer.

I en række tilfælde er det ved hjælp af analoge computere muligt at løse problemer med mindre hensyn til nøjagtigheden af ​​beregninger, end når man skriver et program til en digital computer. For eksempel for elektroniske analoge computere implementeres opgaver, der kræver løsning af differentialligninger , integration eller differentiering uden problemer . Til hver af disse operationer bruges specialiserede kredsløb og noder, normalt med brug af operationsforstærkere . Integration er også let implementeret på hydrauliske analoge maskiner.

Grundlæggende elementer

Alle funktionelle blokke af analoge computere kan opdeles i en række grupper:

  1. lineær - udfør matematiske operationer såsom integration , summering , fortegnsvending, multiplikation med en konstant .
  2. ikke-lineære (funktionelle omformere) - svarer til funktionens ikke-lineære afhængighed af flere variable .
  3. logisk  - enheder af kontinuerlig, diskret logik, relækoblingskredsløb . Tilsammen danner disse enheder en parallel logisk enhed.

Universal AVM'er indeholder som regel i deres sammensætning:

også brugt:

. Lagerenhed
  • Kapacitive lagringsenheder er dynamiske lagringsenheder baseret på kondensatorernes egenskaber til at lagre den spænding, der påføres den. En kapacitiv lagercelle er dannet på en konventionel integrator med forskellige switches . Nogle gange indføres en operationsforstærker  , en repeater, i integratoren for at reducere tiden for huskeprocessen . Opbevaringstiden for information i sådanne enheder er begrænset.
  • Spændingsdeler  - en elektromekanisk lagringsenhed, hvor de lagrede værdier svarer til rotationsvinklerne for reostaterne . Sådanne enheder kan gemme information på ubestemt tid.
  • Et hukommelsespar er en enhed, der genererer en tidsforsinket sekvens af udvalgte inputsignalniveauer. Som et hukommelsespar bruges ofte kaskadede operationsforstærkere , hvoraf den ene fungerer i indgangssignalsporingstilstanden og den anden i lagertilstanden.
  • Opbevaringsenheden på ferritkerner  er baseret på ferromagneters egenskaber til at fastholde magnetisering. Cellerne i sådanne hukommelsesenheder er lavet på ferritkerner eller på transfluxorer og toroidale kerner. Brugen af ​​transfluxorer og toroidale kerner reducerer fejl, mens hastigheden reduceres.

Karakteristika

Kvalitetsfaktoren for AVM  er en generaliseret karakteristik af en analog computer, beregnet ved formlen:

,

hvor  er den maksimalt mulige værdi af maskinvariablen,  er den nedre grænse for den mulige værdi af maskinvariablen. Grænser bestemmes normalt eksperimentelt. Den numeriske værdi afhænger af interferensniveauet, fejl i analoge funktionsblokke , nøjagtigheden af ​​det anvendte måleudstyr. Kvalitetsfaktoren for kraftige AVM'er overstiger [6] .

Klassifikation

Alle AVM'er kan opdeles i to hovedgrupper:

  • Specialiseret - designet til at løse en given snæver klasse af opgaver (eller én opgave);
  • Universal - designet til at løse en lang række opgaver.

Afhængigt af typen af ​​arbejdsvæske

AVM mekanisk

En analog computer, hvor maskinvariabler gengives ved mekaniske bevægelser. Ved løsning af problemer på en AVM af denne type er det nødvendigt, udover skaleringsvariable, at udføre en kraftberegning af strukturen og beregning af døde bevægelser. Fordelene ved mekaniske AVM'er er høj pålidelighed og reversibilitet, hvilket gør det muligt at gengive direkte og omvendte matematiske operationer. Ulemperne ved denne type AVM er høje omkostninger, kompleksitet i fremstillingen, store dimensioner og vægt samt en lav effektivitetskoefficient i brugen af ​​individuelle computerenheder. Mekaniske AVM'er bruges i konstruktionen af ​​yderst pålidelige computerenheder [6] .

Det generelle navn for flow (pneumatiske og hydrauliske) strukturer designet til beregninger osv. opgaver er pneumonics (se Jet logik ) [7] .

AVM pneumatisk

En analog computer, hvor variable er repræsenteret som luft ( gas ) tryk på forskellige punkter i et specielt konstrueret netværk. Elementerne i en sådan AVM er choker , tanke og membraner. Choker spiller rollen som modstande, de kan være konstante, variable, ikke-lineære og justerbare. Pneumatiske beholdere er blinde eller flowkamre, hvor trykket på grund af luftens kompressibilitet stiger, når de fyldes. Membraner bruges til at omdanne lufttryk. Den pneumatiske AVM kan omfatte forstærkere , addere , integratorer, funktionelle omformere og multiplikationsenheder, som er forbundet med hinanden ved hjælp af fittings og slanger . Pneumatiske AVM'er er ringere i hastighed end elektroniske. I gennemsnit har de bevægelige elementer i en sådan AVM en responstid på omkring en tiendedel af et millisekund, derfor kan de passere frekvenser i størrelsesordenen 10 kHz . Sådanne AVM'er er kendetegnet ved betydelige fejl, derfor bruges de, hvor andre typer computere ikke kan bruges: i eksplosive miljøer, i miljøer med høje temperaturer, i automatiske kemiske produktionssystemer. På grund af deres lave omkostninger og høje pålidelighed bruges sådanne AVM'er også i metallurgi, termisk energiteknik, gasindustrien osv. [6]

I 1960'erne blev de udviklet til at opnå et middel til diskret databehandling med høj strålingshårdhed . Der blev udviklet elementer, der udfører grundlæggende logiske operationer og hukommelseselementer uden mekaniske bevægelige elementer.

Sådanne elementer er meget holdbare, da der praktisk talt ikke er nogen bevægelige dele i dem, og som følge heraf er der intet at bryde. I tilfælde af tilstopning af kanalerne kan de logiske matricer let skilles ad og vaskes. Den pneumatiske computer drives af et industrielt pneumatisk netværk. Logikmatricer stemples nemt på sprøjtestøbemaskiner lavet af plast. I særlige tilfælde kan matrixen være lavet af ildfast keramik, støbejern eller anden legering.

Nu bruges pneumatiske computere i industrier, der kræver øget vibrationsmodstand, ydeevne over et meget bredt temperaturområde eller behovet for at styre pneumatiske strømenheder. I sidstnævnte tilfælde er behovet for elektriske signal-til-forskydnings-omformere ( elektro-pneumatisk omformer + positioner ) elimineret. Disse er robotter og automatisering, der arbejder i metallurgi, i mineindustrien. Der er kendte tilfælde af styreelementer i flymotorer, automatiske missilsystemer, kraftdrev af helikoptere og fly.

Der er også en hel kategori af industrier, enheder og installationer, hvor brugen af ​​elektricitet, selv de laveste spændinger, er meget uønsket. Disse er kemien af ​​organiske forbindelser, olieraffinaderier, underjordisk minedrift af kul og malm. De gør udstrakt brug af pneumatisk automatisering .

Hydrauliske AVM'er

V. S. Lukyanov foreslog i 1934 princippet om hydrauliske analogier og implementerede i 1936 den første " hydrauliske integrator " - en enhed designet til at løse differentialligninger, hvis drift er baseret på vandstrømmen. Efterfølgende blev sådanne enheder brugt i snesevis af organisationer og blev brugt indtil midten af ​​1980'erne [8] [9] .

De første kopier var temmelig eksperimentelle, lavet af blik- og glasrør, og hver kunne kun bruges til én opgave.

I 1941 skabte Lukyanov en hydraulisk integrator af et modulært design, som gjorde det muligt at samle en maskine til at løse forskellige problemer.

I 1949 skabte William Phillips den hydrauliske MONIAC- computer , der fokuserede på modellering af økonomiske strømme.

I 1949-1955 udviklede NIISCHETMASH Institute en integrator i form af standard forenede blokke. I 1955 begyndte serieproduktionen af ​​integratorer med fabriksmærket "IGL" (Lukyanovs hydrauliske systemintegrator) på Ryazan-fabrikken af ​​beregnings- og analysemaskiner .

I øjeblikket er to Lukyanov hydrointegratorer opbevaret i Polytechnic Museum [8] .

Elektriske AVM'er

Disse er analoge computere, hvor variablerne er repræsenteret af en elektrisk jævnspænding. De er meget udbredt på grund af høj pålidelighed, hastighed, nem administration og opnåelse af resultater.

Kombinerede AVM'er Elektromekaniske AVM'er

Et eksempel på en kombineret AVM er en elektromekanisk AVM, hvor maskinvariablerne er mekaniske (normalt rotationsvinkel) og elektriske (normalt spænding) størrelser. Roterende transformatorer og tachogeneratorer er specifikke for denne type AVM. AVM'er af denne type er mindre pålidelige end mekaniske på grund af tilstedeværelsen af ​​glidende kontakter.

Efter designfunktioner

AVM matrix type

AVM af matrixtypen (gruppeanalogmaskine) er en analog maskine, hvor individuelle simple computerenheder er stift forbundet i identiske typiske grupper. Anvendes hovedsageligt til modellering af differentialligninger . I dette tilfælde skal problemet først reduceres til et system af førsteordens differentialligninger svarende til det. Hver typisk gruppe af beregningselementer bruges til at modellere en ligning. En matrix-type AVM har brug for en vis skaleringsproces, hvor værdierne af koefficienterne for en søjle i matrixen skal have samme rækkefølge. Opgavesættet på sådanne AVM'er er reduceret til at indstille koefficienterne og startbetingelserne. Ulempen ved AVM af denne type er den lave effektivitet ved brugen af ​​individuelle enheder. Denne type AVM omfatter hovedsageligt mekaniske AVM'er [6] .

Strukturel type AVM

Strukturelt fungerende analog maskine, hvor de enkleste computerenheder er forbundet i overensstemmelse med de matematiske operationer af den ligning, der løses. Anvendes til matematisk modellering.

Som funktion

Hurtig AVM

AVM med periodisering, med gentagelse af løsningen - en analog computer, hvor faserne af løsning af problemer automatisk gentages ved hjælp af et omskiftersystem. Grænsen for gentagelseshastigheden bestemmes af beslutningselementernes frekvenskarakteristika. Databehandlingselementer i AVM med enkelt handling (operationsforstærkere, funktionelle konvertere osv.) er velegnede til brug i AVM med periodisering. I sådanne AVM'er bruges integratorer med en lille tidskonstant. Designet af højhastigheds-AVM'er er mere komplekst end for en enkeltvirkende AVM, da specielle kredsløb bruges til at aflade kondensatorer i slutningen af ​​en cyklus og kredsløb til automatisk indtastning af startværdier i begyndelsen af ​​hver computercyklus. Den største fordel ved denne type AVM er evnen til at observere ændringen i resultatet afhængigt af parametrene i realtid. Højhastigheds-AVM'er bruges til at tilnærme overførselsfunktionen af ​​et fysisk system fra en familie af dets transiente responser, til at løse grænseværdiproblemer, beregne Fourier-integralet og udføre korrelationsanalyse .

Langsom AVM

En enkelt handling analog computer, der bruger integratorer med relativt store tidskonstanter. Løsningen af ​​typiske problemer på sådanne AVM'er varer fra flere sekunder til flere minutter. I dette tilfælde kan resultatet af ændring af parametrene kun fastsættes efter afslutningen af ​​alle beregningscyklusser [6] .

Iterativ AVM

En analog computer, der udfører processen med at løse et problem på en iterativ måde i et vist antal iterationer . Specificiteten af ​​en sådan AVM gør det muligt at kontrollere forløbet af beregninger på givne tidspunkter. For eksempel er det muligt at behandle værdier fra output fra integratorer og sende information fra en cyklus til en anden, afhængigt af betingelserne [6] .

Ansøgning

Analoge elektroniske computere er baseret på indstilling af deres komponenters fysiske egenskaber. Dette gøres normalt ved at tænde og slukke for nogle elementer fra de kredsløb, der forbinder disse elementer med ledninger, og ændre parametrene for variable modstande , kapacitanser og induktanser i kredsløbene.

En automatgear til biler er et eksempel på en hydromekanisk analog computer, hvor væsken i det hydrauliske drev ændrer trykket, når drejningsmomentet ændres, hvilket gør det muligt at opnå det ønskede endelige transmissionsforhold.

Før fremkomsten af ​​kraftfuldt og pålideligt digitalt udstyr blev analoge computere i vid udstrækning brugt i luftfarts- og raketteknologi, til operationel behandling af forskellige informationer og den efterfølgende generering af styresignaler i autopiloter og forskellige mere komplekse automatiske flyvekontrolsystemer eller andre specialiserede processer .

Ud over tekniske applikationer (automatiske transmissioner, musikalske synthesizere ) bruges analoge computere til at løse specifikke beregningsmæssige problemer af praktisk karakter. For eksempel blev den kammekaniske analoge computer vist på billedet brugt i lokomotivbygning til at tilnærme 4. ordens kurver ved hjælp af Fourier-transformationer .

Mekaniske computere blev brugt i de første rumflyvninger og viste information ved hjælp af forskydningen af ​​overfladeindikatoren. Fra den første bemandede rumflyvning indtil 2002 var alle bemandede sovjetiske og russiske rumfartøjer fra Vostok , Voskhod og Soyuz -serien udstyret med en Globus-computer, der viser Jordens bevægelse gennem forskydningen af ​​en miniaturekopi af kloden og data om bredde- og længdegrad [ 10] .

Militært udstyr

Inden for militærteknologi er et andet navn historisk blevet udviklet for analoge computerenheder til artilleriildkontrol, bombning i høj højde og andre militære opgaver, der kræver komplekse beregninger - dette er en regneanordning . Et eksempel er en antiluftskyts ildkontrolanordning .

Analog teknologi er interessant for militæret på to måder: den er ekstremt hurtig, og under interferensforhold vil maskinens ydeevne blive genoprettet, så snart interferensen forsvinder.

Moderne teknologi

Nu har analoge computere givet plads til digitale teknologier, automatiseringssystemer og signalbehandling baseret på nogle FPGA -chips til "blandede" digitale og analoge signaler.

Repræsentanter

Analoge computerenheder omfatter:

FERMIAC

FERMIAC  er en analog computer opfundet af fysikeren Enrico Fermi i 1946 for at hjælpe hans forskning. Monte Carlo-metoden blev brugt til at simulere neutroners bevægelse i forskellige typer nukleare systemer. I betragtning af den indledende fordeling af neutroner er målet med modellering at udvikle adskillige "neutrongenealogier" eller modeller af individuelle neutroners adfærd, herunder hver kollision, spredning og nuklear fission . På hvert trin blev pseudo-tilfældige tal brugt til at træffe beslutninger om neutronernes opførsel , "genereret" af indstillingerne af tromlerne på en given enhed.

"Iterator"

"Iterator" er en specialiseret AVM designet til at løse lineære grænseværdiproblemer for systemer med lineære differentialligninger . Udviklet ved Institute of Cybernetics ved Academy of Sciences i den ukrainske SSR i 1962 .

"Iterator" løser grænseværdiproblemet ved Newtons iterative metode , hvilket reducerer det til at løse flere differentialligninger med givne begyndelsesbetingelser. Denne algoritme består i at bestemme matrixen af ​​første afledte med hensyn til komponenterne i initialbetingelsesvektoren og automatisk søge efter en løsning på grænseværdiproblemet ved hjælp af denne matrix. Takket være den anvendte metode sikres konvergensen af ​​den iterative proces med en given tilladt beslutningsfejl i tre til fire iterationer.

Ud over systemer af differentialligninger med konstante og variable koefficienter af 2. orden med lineære grænsebetingelser, løser "Iterator" systemer af lineære algebraiske ligninger af n . orden med en vilkårlig matrix af koefficienter.

Karakteristika
  • den maksimale rækkefølge af systemet af differentialligninger, der skal løses, er 8;
  • det maksimale antal point i integrationsintervallet inkluderet i grænsebetingelserne er 3;
  • maksimal fejl - op til 3%;
  • antal operationsforstærkere  - 21;
  • strømforbrug - 1kV·A.

"MN"

Familie af analoge computere. Navnet er en forkortelse af ordene "ikke-lineær model". Blev designet til at løse Cauchy-problemer for almindelige differentialligninger . Den mest perfekte repræsentant for denne serie af maskiner var MN-18- maskinen  - en AVM med medium effekt, designet til at løse komplekse dynamiske systemer beskrevet af differentialligninger op til tiende orden som en del af et analog-digitalt computersystem eller uafhængigt af matematiske modelleringsmetoder . Kontrolskemaet giver mulighed for samtidig og separat lancering af integratorer af grupper, engangsproblemløsning og gentagen problemløsning. Det er muligt at kombinere op til fire MN-18 maskiner til et enkelt kompleks.

Karakteristika for MH-18
  • antallet af operationsforstærkere - 50;
  • den maksimale rækkefølge af ligningerne, der skal løses, er 10;
  • område af anvendte værdier ± 50 V;
  • integrationstid - 1000 s;
  • strømforbrug - 0,5 kV × A.

Se også artiklen MH-10 .

Interessante fakta

Den menneskelige hjerne  er den mest kraftfulde og effektive "analoge enhed" der findes. Og selvom overførslen af ​​nerveimpulser sker på grund af diskrete signaler, er information i nervesystemet ikke repræsenteret i digital form. Neurocomputere  er analoge hybridcomputere (modeller implementeret på digitale computere) bygget på elementer, der fungerer på samme måde som hjerneceller [11] .

Se også

Noter

  1. Arkiveret kopi (link ikke tilgængeligt) . Hentet 8. december 2010. Arkiveret fra originalen 23. januar 2010.   1674
  2. https://polymus.ru/ru/persons/aleksey-krylov/ Arkivkopi dateret 26. maj 2021 på Wayback Machine ALEXEY KRYLOV // Polytechnic Museum
  3. Træningsfilm fra 1953 "Fire Control Computers": Del 1 Arkiveret 1. december 2011 på Wayback Machine  , Del 2 Arkiveret 7. januar 2012 på Wayback Machine 
  4. http://www.nsc.ru/win/elbib/data/show_page.dhtml?77+87 Arkivkopi dateret 3. september 2021 på Wayback Machine Glossary of Terms // Novosibirsk State University
  5. Perceptroner . Hentet 8. december 2010. Arkiveret fra originalen 19. august 2011.
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 Dictionary of Cybernetics / Red. Akademiker V. S. Mikhalevich . - 2. udg. - K . : Hovedudgave af den ukrainske sovjetiske encyklopædi opkaldt efter M. P. Bazhan, 1989. - 751 s. - (C48). — 50.000 eksemplarer.  - ISBN 5-88500-008-5 .
  7. Zalmanzon L. A. Teori om pneumoniens elementer .. - M . : Nauka, 1969. - 177 s.
  8. 1 2 Solovieva O. V. Hydrogeneratorer V. S. Lukyanova (utilgængeligt link) . Polyteknisk Museum. Arkiveret fra originalen den 28. marts 2012.  
  9. Solovieva O. Vandcomputere //  "Science and Life": Journal. - M. , 2000. - Nr. 4 .
  10. Computere efter type arbejdsmiljø . Hentet 3. september 2021. Arkiveret fra originalen 3. september 2021.
  11. Gorban A. N. Neurocomputer, eller den analoge renæssancearkivkopi dateret 12. maj 2013 på Wayback Machine , PC World, 1994, nr. 10, 126-130 .

Links