АНАЛОГОВІ КОМП'ЮТЕРИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, КОМПОНЕНТИ, ТИПИ - ТЕХНОЛОГІЯ - 2025

Ці аналогові комп'ютери являють собою тип комп'ютера , який використовує безперервно мінливі аспекти фізичних явищ, такі як електричні величини, механічні або гідравлічні, для моделювання проблеми вирішується.

Тобто це комп'ютери, які працюють з числами, представленими прямо вимірюваними безперервними значеннями, такими як тиск, температура, напруга, швидкість і вага. Навпаки, цифрові комп'ютери представляють ці значення символічно.

Джерело: X-15_Analog_computer По тому, як це зроблено - https://www.youtube.com/watch?v=PW1NAcZLDgs, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52164169

Аналогові комп'ютери можуть мати дуже широкий спектр складності. Найпростішими є правила слайдів та номограм, тоді як комп'ютери, що управляють військово-морськими гарматами та великі гібридні цифрові / аналогові комп'ютери, є одними з найскладніших. У той час вони були першими розробленими комп'ютерними машинами.

Системи управління процесами та реле захисту використовують аналогові обчислення для виконання функцій управління та захисту.

У 1960-х роках основним виробником була американська компанія Electronic Associates, що має аналоговий комп'ютер 231R, з вакуумними трубками та 20 інтеграторами. Пізніше, з його аналоговим комп’ютером 8800, з твердотільними підсилювачами та 64 інтеграторами.

Заміна цифровими комп'ютерами

У 60-70-х роках цифрові комп'ютери, засновані спочатку на вакуумних трубах, а згодом на транзисторах, інтегральних схемах та мікропроцесорах, стали більш економічними та точними.

Це призвело до того, що цифрові комп'ютери значною мірою замінили аналогові. Однак аналогові комп’ютери продовжували використовуватися в наукових та промислових програмах, оскільки в той час вони зазвичай були набагато швидшими.

Наприклад, вони продовжували використовуватися в деяких конкретних програмах, таких як льотний комп'ютер в літаках.

Більш складні програми, такі як радари синтетичної діафрагми, залишалися під домінуванням аналогових обчислень добре в 1980-х, оскільки цифрові комп'ютери були недостатніми для виконання цього завдання.

Досі тривають дослідження аналогових обчислень. Деякі університети досі використовують аналогові комп'ютери для викладання теорії систем управління.

характеристики

Аналогова обробка даних

Аналоговий комп'ютер використовується для обробки аналогових даних, таких як напруга, температура, тиск, швидкість тощо. Він постійно зберігає ці дані фізичних величин і виконує обчислення за допомогою цих вимірювань.

Він зовсім відрізняється від цифрового комп'ютера, який використовує символічні числа для представлення результатів.

Аналогові комп’ютери чудово підходять для ситуацій, які вимагають безпосередньо вимірювати дані, не перетворюючи їх на числа чи коди.

Використання аналогових сигналів

Аналоговий комп'ютер використовує аналоговий сигнал, який може бути представлений у вигляді безперервної або синусоїди, що містить значення, що змінюються в часі.

Аналоговий сигнал може змінюватись за амплітудою або частотою. Значення амплітуди - це інтенсивність сигналу, пов'язана з його найвищою точкою, що називається гребенем, і її найнижчою точкою. З іншого боку, значення частоти - це її фізична довжина зліва направо.

Прикладами аналогових сигналів є звук або людська мова через електрифікований мідний дріт.

Аналогові комп'ютери не вимагають ніякої ємності, тому що за одну операцію вони вимірюють і порівнюють кількість.

Обмежена точність

Аналогічні уявлення мають обмежену точність, як правило, до декількох знаків після коми.

Точність аналогового комп’ютера обмежена його обчислювальними елементами, а також якістю внутрішнього живлення та електричних взаємозв'язків.

В основному вона обмежена точністю використовуваного пристрою для читання, який, як правило, становить три чи чотири знаки після коми.

Програмування

Програмування в аналоговому комп'ютері передбачає перетворення рівнянь задачі в аналогову комп'ютерну схему.

Для чого аналогові комп'ютери?

Вони використовуються для представлення даних вимірюваними величинами, такими як напруги або обертання передач, щоб вирішити проблему, а не виражати дані як числа.

Моніторинг та контроль

У системах моніторингу та контролю вони використовуються для визначення формули управління та для обчислення параметрів процесу, таких як ефективність, потужність, продуктивність та інші.

Якщо ви можете призначити математичний вираз, який визначає зв'язок параметра з координатами об'єкта, аналоговий комп'ютер може вирішити відповідне рівняння.

Наприклад, аналогові комп'ютери широко використовуються для оцінки економічної ефективності енергосистем і можуть слугувати автоматичними регуляторами.

Їх часто використовують для контролю процесів, таких як на нафтопереробних заводах, де важливі постійні вимірювання потоку та температури.

Розширений аналіз

Неодноразово розв'язуючи систему рівнянь, яка описує керований процес, аналоговий комп'ютер може за короткий час сканувати велику кількість альтернативних рішень. Для цього він використовує різні значення параметрів, які можуть змінюватися протягом процесу.

Необхідну якість можна гарантувати за допомогою керуючих сигналів, оголошених аналоговим комп'ютером.

Значення, визначені комп'ютером, передаються в регулюючий пристрій, який регулює точки управління.

Визначення тривожних чи корисних сигналів

Величина тривожного або корисного сигналу визначається за допомогою диференціальних рівнянь, що описують динамічну систему, значення початкових умов, крім змін, визначених у статистиці, що вимірюють шум і сигнал.

Аналоговий комп'ютер також може бути використаний для побудови приладів, які автоматично записують порушення і видають керуючий сигнал, який залежатиме від характеру та кількості порушень.

Моделювання динамічних систем

Моделювання можна проводити в режимі реального часу або з дуже високою швидкістю, що дозволяє експериментувати з повторними прогонами зі зміненими змінними.

Вони широко використовуються в моделюванні літаків, атомних електростанціях, а також у промислових хімічних процесах.

Компоненти

Операційний підсилювач

Більшість електричних аналогових комп'ютерів працюють за допомогою маніпулювання напругами або різницею потенціалів. Основним його компонентом є операційний підсилювач, який представляє собою пристрій, вихідний струм якого пропорційний різниці вхідного потенціалу.

Примушуючи цей вихідний струм протікати через відповідні компоненти, отримуються більші різниці потенціалів і може виконуватися широкий спектр математичних операцій, включаючи додавання, віднімання, інверсію та інтегрування.

Електричний аналоговий комп'ютер складається з багатьох типів підсилювачів. Вони можуть бути пов'язані для створення математичного вираження великої складності та безлічі змінних.

Гідравлічні компоненти

Основні гідравлічні компоненти можуть включати труби, клапани та контейнери.

Механічні компоненти

Можливі поворотні осі для транспортування даних всередині комп’ютера, диференціальні передачі, дискові, кулькові або роликові інтегратори, 2-D і 3-D кулачки, механічні роз'єднувачі та множники та сервокрутки.

Електричні та електронні компоненти

- Точні резистори та конденсатори.

- Операційні підсилювачі.

- Мультиплікатори.

- Потенціометри.

- Генератори фіксованих функцій.

За характером математичних операцій

Лінійний

Лінійні компоненти виконують операції додавання, інтеграції, зміни знаків, множення на константу та ін.

Нелінійний

Генератори функцій відтворюють нелінійні зв’язки. Є комп'ютерні компоненти, призначені для відтворення призначеної функції з одного, двох або більше аргументів.

У цьому класі звичайно розрізняти пристрої, що відтворюють одноаргументні розривні функції, і пристрої ділення множника.

Логічні

Серед логічних компонентів - аналогові логічні пристрої, призначені для розділення більшої чи меншої кількості між різними величинами, дискретні логічні пристрої, схеми реле комутації та деякі інші спеціальні блоки.

Усі логічні пристрої, як правило, об'єднуються в один, який називається паралельним логічним пристроєм. Він оснащений власною панеллю патчів для з'єднання окремих логічних пристроїв між собою та іншими аналоговими компонентами комп'ютера.

Типи

Механічні комп’ютери

Вони побудовані з механічних компонентів, таких як важелі та шестірні, а не з електронних компонентів.

Найпоширенішими прикладами є додавання машин та механічних лічильників, які використовують повороти шестерень для виконання додавання чи відліку. Більш складні приклади можуть проводити множення і ділення і навіть диференціальний аналіз.

Найбільш практичні механічні комп'ютери використовують обертові осі для транспортування змінних від одного механізму до іншого.

У синтезаторі Фур'є, який був машиною для прогнозування припливів, використовували кабелі та шківи, ​​що додавали гармонічні компоненти.

Важливо згадати механічні польотні прилади на ранніх космічних апаратах, які показали обчислений результат не у вигляді цифр, а за допомогою переміщень індикаторних поверхонь.

Пілотовані радянські космічні апарати були оснащені інструментом під назвою Globus. Це показало образний рух Землі через зміщення мініатюрної земної кулі, крім показників широти та довготи.

Електричні комп’ютери

Вони більш поширені, оскільки мають значно більшу смугу пропускання і зручні для підключення до інших комп’ютерів та елементів керування пристроєм.

Вони використовують електричні сигнали, які проходять через різні резистори та конденсатори, щоб імітувати фізичні явища, а не механічну взаємодію компонентів.

Конструкція аналогових елементів комп’ютера базується на електронних підсилювачах постійного струму. Вони мають високий коефіцієнт посилення у режимі відкритого контуру.

Залежно від структури схем вводу та зворотного зв’язку, підсилювач напруги виконує або лінійну, або нелінійну математичну операцію. Також поєднання цих операцій.

Цей тип аналогового комп’ютера широко використовувався в обчислювальній техніці та військовій техніці в середині 20 століття, наприклад, у випробуваннях літаків та ракет.

Відмінності від цифрових

Передача сигналу

Цифрові сигнали мають два дискретні стани, вимкнено чи увімкнено. У вимкненому стані дорівнює нулю вольт, а увімкненому - п’ять вольт. Ось чому цифрові комп’ютери використовують дані двійкових чисел у вигляді 0 і 1.

Аналогові сигнали є безперервними. Вони можуть бути десь між двома крайнощами, такими як -15 і +15 вольт. Напруга аналогового сигналу може бути постійним або змінюватися з часом.

Тобто в аналогових комп'ютерах дані передаються у вигляді безперервних сигналів. У цифрових комп'ютерах вони передаються у вигляді дискретних сигналів.

Типи схем

Аналогові комп'ютерні схеми використовують операційні підсилювачі, генератори сигналів, резисторні мережі та конденсатори. Ці схеми обробляють сигнали постійної напруги.

Цифрові комп'ютери використовують різні схеми вмикання / вимикання, такі як мікропроцесори, генератори тактових частот і логічні ворота.

Тобто цифровий комп’ютер використовує електронні схеми, тоді як аналоговий комп'ютер використовує резистори для безперервного потоку сигналу.

Точність

Аналогові комп'ютери повинні мати певний рівень електричного шуму в ланцюгах, що впливає на їх точність. Схеми цифрового комп'ютера також мають електричний шум, хоча це не впливає на точність або надійність.

З іншого боку, аналоговий комп'ютер не може виробляти повторювані результати з точною відповідністю. Це означає, що аналогові комп'ютери менш точні порівняно з цифровими.

Програмування

Як аналогові, так і цифрові комп'ютери можуть бути запрограмовані, хоча методи різні.

Цифрові комп'ютери використовують складні послідовності інструкцій, такі як порівняння або множення двох чисел або переміщення даних з одного місця в інше.

Для програмування аналогового комп'ютера різні підсистеми електрично з'єднані між собою кабелями. Наприклад, генератор сигналів підключений до регуляторної ручки, щоб змінити інтенсивність сигналу.

Приклади

Замок годинник

Цей відомий комп'ютер міг зберігати інструкції з програмування. Стоячи висотою понад три метри, пристрій відображав час, зодіак, а також орбіти Сонця і Місяця.

Таким чином, обчислювальна частина пристрою дозволяла користувачам встановлювати змінну тривалість дня залежно від пори року. Описаний у 1206 році, цей комп’ютер був дуже складним для свого часу.

Правило слайдів

Одне з найпростіших і найбільш впізнаваних механічних аналогових комп'ютерів - це правило слайдів. Це пристрій для наближення основних математичних обчислень.

Користувачі ковзають позначеним стрижнем, щоб вирівняти його різними позначками на іншому стрижні, таким чином, читаючи пристрій на основі вирівнювання цих різних знаків.

Диференціальний аналізатор

Цей механічний аналоговий комп'ютер міг вирішувати диференціальні рівняння. Дизайн диференціального аналізатора був вдосконалений ще в 1930-х роках, але його використовували до середини 20 століття.

Вважається першим сучасним комп’ютером. Він важив 100 тонн і містив 150 двигунів, плюс сотні миль кабелів, що з'єднували реле і вакуумні трубки.

За сучасними мірками машина була повільною. Насправді це було лише в сто разів швидше, ніж оператор людини, що використовує настільний калькулятор.

Інші приклади

- Провісник Керрісон.

- Комп'ютер-ваги, ваги та ваги літака.

- Механічні інтегратори, такі як планіметр.

- Номограма.

- козирок Нордена.

- Комп'ютери, пов'язані з управлінням вогнем.

- Водні інтегратори.

- MONIAC, економічне моделювання.

Симуляційна рада була асоціацією користувачів аналогових комп'ютерів у Сполучених Штатах.

Інформаційні бюлетені Ради з імітації з 1952 по 1963 рік доступні в Інтернеті. Вони показують технології того часу, а також загальне використання аналогових комп'ютерів.

Список літератури

1. Вікіпедія, безкоштовна енциклопедія (2019). Аналоговий комп'ютер. Взято з: en.wikipedia.org.
2. Техопедія (2019). Аналоговий комп’ютер. Взяті з: plasmapedia.com.
3. Дінеш Тхакур (2019). Що таке аналоговий комп'ютер? - Визначення. Примітки до електронного комп’ютера. Взято з: ecomputernotes.com.
4. Енциклопедія Британіка (2019). Аналоговий комп'ютер. Взято з: britannica.com.
5. Джон Папієвський (2019). 10 відмінностей між аналоговими та цифровими комп’ютерами. Взято з: techwalla.com.
6. Вільний словник (2019). Аналоговий комп’ютер. Взято з: encyclopedia2.thefreedictionary.com.
7. Енциклопедія (2002). Комп'ютер, аналог. Взято з: encyclopedia.com.