Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Для 8-битного компьютерного журнала Atari см. ANALOG Computing .
Страница из информационного файла Bombardier (BIF), описывающая компоненты и элементы управления бомбового прицела Norden . Бомбардировочный прицел Norden представлял собой сложнейший оптико-механический аналоговый компьютер, который использовался ВВС США во время Второй мировой войны, войны в Корее и войны во Вьетнаме для помощи пилоту бомбардировщика в точном сбрасывании бомб .
Настольный аналоговый компьютер TR-10 конца 1960-х - начала 1970-х годов

Аналоговый компьютер или аналог компьютер представляет собой тип компьютера , который использует непрерывно изменяемые аспекты физических явлений , такие как электрические , механические или гидравлические количества , чтобы моделировать решаемую задачу. Напротив, цифровые компьютеры представляют различные величины символически и дискретными значениями как времени, так и амплитуды.

Аналоговые компьютеры могут иметь очень широкий диапазон сложности. Скользящие правила и номограммы являются самыми простыми, в то время как морские компьютеры управления стрельбой и большие гибридные цифровые / аналоговые компьютеры были одними из самых сложных. [1] Системы управления технологическим процессом и реле защиты использовали аналоговые вычисления для выполнения функций управления и защиты.

Аналоговые компьютеры широко использовались в научных и промышленных приложениях даже после появления цифровых компьютеров, потому что в то время они, как правило, были намного быстрее, но они начали устаревать уже в 1950-х и 1960-х годах, хотя они продолжали использоваться в некоторых конкретных приложения, такие как самолеты пилотажных тренажеры , на компьютере полета в самолете , а также для обучения системы управления в университетах. Более сложные приложения, такие как имитаторы полета самолетов и радар с синтезированной апертурой , оставались областью аналоговых вычислений (и гибридных вычислений ) вплоть до 1980-х годов, поскольку цифровых компьютеров для этой задачи было недостаточно. [2]

Хронология аналоговых компьютеров [ править ]

Смотрите также: История вычислительного оборудования § Аналоговые компьютеры

Прекурсоры [ править ]

Смотрите также: Хронология вычислительного оборудования до 1950 г.

Это список примеров ранних вычислительных устройств, считающихся предшественниками современных компьютеров. Некоторые из них, возможно, даже были названы прессой «компьютерами», хотя они могут не соответствовать современным определениям.

Механизм Antikythera , датируемый 150-100 г. до н.э., был ранним аналоговым компьютером.

По словам Дерека Дж. Де Соллы Прайса, механизм Antikythera был оррери и считается ранним механическим аналоговым компьютером . [3] Он был разработан для расчета астрономических координат. Он был обнаружен в 1901 году на затонувшем корабле Antikythera у греческого острова Antikythera , между Китерой и Критом , и датируется ок.  100 г. до н.э. в эллинистический период Греции. Устройства уровня сложности, сравнимого с антикиферским механизмом, не появятся снова до тысячи лет спустя.

Многие механические средства для расчетов и измерений были созданы для использования в астрономии и навигации. Планисфера была впервые описана Птолемеем во 2 веке нашей эры. Астролябия была изобретена в мире эллинизма либо в 1 - й или 2 - й века до н.э. и часто приписывается Гиппарха . Комбинация планисферы и диоптры , астролябия была фактически аналоговым компьютером, способным решать несколько различных задач сферической астрономии . Астролябия, включающая в себя компьютер с механическим календарем [4] [5] и зубчатые колеса, была изобретена Аби Бакром из Исфахана ,Персия в 1235 году. [6] Абу Райхан аль-Бируни изобрел первую механическую астролябию с лунно-солнечным календарем , [7] раннюю машину для обработки знаний с фиксированной проводкой [8] с зубчатой ​​передачей и зубчатыми колесами, [9] c.  AD 1000 . Часы замок , A hydropowered механические астрономические часы изобретен Al-Джазари в 1206 году , был первым программируемым аналоговым компьютером. [10] [11] [12]

Сектор , вычислительный инструмент , используемый для решения задач в пропорции, тригонометрия, умножения и деления, а также для различных функций, таких как квадраты и кубические корни, был разработан в конце 16 - го века и нашли применение в артиллерийском, геодезии и навигации.

Планиметр был ручным инструментом для вычисления площади замкнутой фигуры путем отслеживания над ним с механической связью.

Правила скольжения . Скользящее центральное скольжение установлено на 1,3, курсор - на 2,0 и указывает на результат умножения 2,6.

Правило слайда было изобретено около 1620-1630, вскоре после опубликования концепции логарифма . Это аналоговый компьютер с ручным управлением для умножения и деления. По мере развития логарифмической линейки добавленные шкалы обеспечивали обратные величины, квадраты и квадратные корни, кубы и кубические корни, а также трансцендентные функции, такие как логарифмы и экспоненты, круговая и гиперболическая тригонометрия и другие функции . Авиация - одна из немногих областей, где правила скольжения все еще широко используются, особенно для решения задач времени и расстояния в легких самолетах.

В 1831–1835 годах математик и инженер Джованни Плана изобрел машину с вечным календарем , которая с помощью системы шкивов и цилиндров могла предсказывать вечный календарь на каждый год от 0 г. до н.э. (то есть 1 г. до н.э.) до 4000 г. високосных лет и различной продолжительности светового дня. [13]

Машина для прогнозирования приливов, изобретенная сэром Уильямом Томсоном в 1872 году, была очень полезна для навигации на мелководье. В нем использовалась система шкивов и тросов для автоматического расчета прогнозируемых уровней приливов за заданный период в определенном месте.

Дифференциальный анализатор , механический аналоговый компьютер , предназначенный для решения дифференциальных уравнений путем интегрирования , используемые механизмы колеса и дисковые для выполнения интеграции. В 1876 году Джеймс Томсон уже обсуждал возможную конструкцию таких вычислителей, но он был загнан в тупик из-за ограниченного выходного крутящего момента шаровых интеграторов . [14] В дифференциальном анализаторе выход одного интегратора управляет входом следующего интегратора или выводом графика. Усилитель крутящего момента был заранее , что позволило эти машины к работе. Начиная с 1920-х годов Ванневар Буш и другие разработали механические дифференциальные анализаторы.

Современная эпоха [ править ]

Аналоговая вычислительная машина в Лаборатории лётных двигателей им . Льюиса около 1949 года.
Аналоговый компьютер Heathkit EC-1

Dumaresq был механический вычислительное устройство изобрел в 1902 году лейтенант Джон Dumaresq из Королевского военно - морского флота . Это был аналоговый компьютер, который связывал важные переменные проблемы управления огнем с движением собственного корабля и корабля-цели. Он часто использовался с другими устройствами, такими как часы диапазона Виккерса, чтобы генерировать данные о дальности и отклонении, чтобы можно было постоянно устанавливать прицелы корабля. Ряд версий Dumaresq производился с возрастающей сложностью по мере развития.

К 1912 году Артур Поллен разработал механический аналоговый компьютер с электрическим приводом для систем управления огнем , основанный на дифференциальном анализаторе. Он использовался Императорским флотом России во время Первой мировой войны . [15]

Начиная с 1929 года, анализаторы цепей переменного тока создавались для решения вычислительных задач, связанных с электроэнергетическими системами, которые в то время были слишком большими для решения численными методами . [16] По сути, это были масштабные модели электрических свойств полноразмерной системы. Поскольку анализаторы цепей могли справляться с задачами, слишком большими для аналитических методов или ручных вычислений, они также использовались для решения задач в ядерной физике и при проектировании структур. К концу 1950-х было построено более 50 крупных анализаторов цепей.

Директора орудий времен Второй мировой войны , компьютеры данных орудий и бомбовые прицелы использовали механические аналоговые компьютеры. В 1942 году Хельмут Хельцер построил полностью электронный аналоговый компьютер в Исследовательском центре армии Пенемюнде [17] [18] [19] в качестве встроенной системы управления ( смесительное устройство ) для расчета траекторий ракеты V-2 по ускорениям и ориентациям (измеренным гироскопами ). и для стабилизации и наведения ракеты. [20] [21] Механические аналоговые компьютеры были очень важны в управлении огнем орудий.во Второй мировой войне, Корейской войне и давно минувшей войне во Вьетнаме; их было сделано в значительном количестве.

В период 1930–1945 годов в Нидерландах Йохан ван Вин разработал аналоговый компьютер для расчета и прогнозирования приливных течений при изменении геометрии каналов. Примерно в 1950 году эта идея была развита в Deltar , аналоговом компьютере, поддерживающем закрытие устьев рек на юго-западе Нидерландов ( Delta Works ).

FERMIAC был аналоговый компьютер , изобретенный физиком Энрико Ферми в 1947 году , чтобы помочь в его исследованиях переноса нейтронов. [22] Project Cyclone был аналоговым компьютером, разработанным Ривзом в 1950 году для анализа и проектирования динамических систем. [23] Project Typhoon был аналоговым компьютером, разработанным RCA в 1952 году. Он состоял из более чем 4000 электронных ламп и использовал 100 циферблатов и 6000 съемных разъемов для программирования. [24] MONIAC Компьютер был гидравлическую модель национальной экономики впервые представлен в 1949 году [25]

Компания Computer Engineering Associates была выделена из Калифорнийского технологического института в 1950 году для предоставления коммерческих услуг с использованием «Электрического аналогового компьютера прямой аналогии» («крупнейшего и наиболее впечатляющего универсального анализатора для решения полевых задач»), разработанного там Гилбертом Д. Макканном. , Чарльз Х. Уилтс и Барт Локанти . [26] [27]

Образовательные аналоговые компьютеры иллюстрировали принципы аналоговых вычислений. Heathkit EC-1, $ 199 образовательных аналоговый компьютер а, был сделан Heath Company, США с.  1960 . [28] Он был запрограммирован с использованием патч-кордов, соединяющих девять операционных усилителей и другие компоненты. [29] General Electricв начале 1960-х также продавал «образовательный» аналоговый компьютерный комплект простой конструкции, состоящий из двух транзисторных генераторов тонального сигнала и трех потенциометров, соединенных таким образом, что частота генератора обнулялась, когда регуляторы потенциометра устанавливались вручную, чтобы удовлетворить уравнению. Относительное сопротивление потенциометра было тогда эквивалентно формуле решаемого уравнения. Умножение или деление могло выполняться в зависимости от того, какие шкалы были входами, а какие - выходом. Точность и разрешение были ограничены, а простая логарифмическая линейка была более точной, однако прибор действительно продемонстрировал основной принцип.

Аналоговые компьютерные разработки публиковались в журналах по электронике. Одним из примеров является аналоговый компьютер PE, опубликованный в Practical Electronics в сентябре 1978 года. Другой более современный гибридный компьютерный проект был опубликован в Everyday Practical Electronics в 2002 году. [30] Примером, описанным в EPE Hybrid Computer, был полет самолета вертикального взлета и посадки, такого как прыжковый реактивный самолет Harrier. [30] Высота и скорость самолета были рассчитаны аналоговой частью компьютера и отправлены на ПК через цифровой микропроцессор и отображены на экране ПК.

В управлении промышленными процессами аналоговые контроллеры контура использовались для автоматического регулирования температуры, расхода, давления или других условий процесса. Технологии этих контроллеров варьировались от чисто механических интеграторов, электронно-ламповых и полупроводниковых устройств, до эмуляции аналоговых контроллеров микропроцессорами.

Электронные аналоговые компьютеры [ править ]

Польский аналоговый ЭВМ АКАТ-1 (1959 г.)
Система EAI 8800 Аналоговых вычисления используются для программно-аппаратного моделирования в виде Claas трактора (1986)

С математической точки зрения поразительно сходство между линейными механическими компонентами, такими как пружины и демпферы (демпферы для вязкой жидкости), и электрическими компонентами, такими как конденсаторы , катушки индуктивности и резисторы . Их можно смоделировать, используя уравнения той же формы.

Однако разница между этими системами в том, что делает аналоговые вычисления полезными. Если рассматривать простую систему масса-пружина, построение физической системы потребует создания или модификации пружин и масс. После этого следует прикрепить их друг к другу и к соответствующему якорю, собрать испытательное оборудование с соответствующим диапазоном входных сигналов и, наконец, провести измерения. В более сложных случаях, таких как подвески для гоночных автомобилей, экспериментальное строительство, модификация и испытания одновременно сложны и дороги.

Электрический эквивалент может быть построен с использованием нескольких операционных усилителей (операционных усилителей) и некоторых пассивных линейных компонентов; все измерения можно проводить непосредственно с помощью осциллографа . В схеме (смоделированная) жесткость пружины, например, может быть изменена путем настройки параметров интегратора. Электрическая система является аналогом физической системы, отсюда и название, но она менее затратна в изготовлении, в целом более безопасна и, как правило, намного проще модифицировать.

Кроме того, электронная схема обычно может работать на более высоких частотах, чем моделируемая система. Это позволяет моделировать быстрее, чем в реальном времени (которое в некоторых случаях может длиться часами, неделями или дольше). Опытные пользователи аналоговых электронных компьютеров сказали, что они предлагают сравнительно тщательный контроль и понимание проблемы по сравнению с цифровым моделированием.

Недостатком механико-электрической аналогии является то, что электроника ограничена диапазоном, в котором переменные могут изменяться из-за фиксированного напряжения питания. Следовательно, каждая проблема должна быть масштабирована в соответствии с ее параметрами и размерами - например, ожидаемыми величинами скорости и положением пружинного маятника . Проблемы с неправильным масштабированием могут страдать от более высокого уровня шума . Цифровые вычисления с плавающей запятой имеют огромный динамический диапазон, но могут также страдать от неточности, если крошечные различия в огромных значениях приводят к численной нестабильности .

Эти электрические схемы также могут легко выполнять самые разные модели. Например, напряжение может моделировать давление воды, а электрический ток может моделировать скорость потока в кубических метрах в секунду. Интегратор может предоставить общий накопленный объем жидкости, используя входной ток, пропорциональный (возможно, изменяющейся) скорости потока.

Аналоговая схема динамики системы пружина-масса (без масштабных коэффициентов)
Демпфированное движение системы пружина-масса

Аналоговые компьютеры особенно хорошо подходят для представления ситуаций, описываемых дифференциальными уравнениями. Иногда они использовались, когда систему дифференциальных уравнений было очень трудно решить традиционными средствами. В качестве простого примера, динамики системы пружинно-массового может быть описана уравнением , [ править ] с в вертикальном положении массы , с коэффициентом затухания , с постоянной весенней и в гравитации Земли . Для аналоговых вычислений уравнение запрограммировано как . Эквивалентная аналоговая схема состоит из двух интеграторов для переменных состояния(скорость) и (положение), один инвертор и три потенциометра. Схема должна учитывать, что как интегрирующий, так и суммирующий блоки меняют полярность сигнала.

Точность аналогового компьютера ограничена его вычислительными элементами, а также качеством внутреннего питания и электрических соединений. Точность аналогового компьютерного считывания ограничивалась, главным образом, точностью используемого считывающего оборудования, обычно трех или четырех значащих цифр. Точность цифрового компьютера ограничена размером слова; Арифметика произвольной точности , хотя и относительно медленная, обеспечивает любую практическую степень точности, которая может потребоваться. Однако в большинстве случаев точность аналогового компьютера абсолютно достаточна, учитывая неопределенность характеристик модели и ее технических параметров.

Многие небольшие компьютеры, предназначенные для конкретных вычислений, до сих пор являются частью промышленного регулирующего оборудования, но с 1950-х по 1970-е годы аналоговые компьютеры общего назначения были единственными системами, достаточно быстрыми для моделирования динамических систем в реальном времени, особенно в самолетах, военных и аэрокосмических. поле.

В 1960-х годах основным производителем была компания Electronic Associates из Принстона, штат Нью-Джерси , с аналоговым компьютером 231R (электронные лампы, 20 интеграторов), а затем с аналоговым компьютером EAI 8800 (твердотельные операционные усилители, 64 интегратора). [31] Его соперником была компания Applied Dynamics из Анн-Арбора, штат Мичиган .

Хотя базовой технологией для аналоговых компьютеров обычно являются операционные усилители (также называемые «усилителями постоянного тока», потому что они не имеют ограничения по низкой частоте), в 1960-х годах во французском компьютере ANALAC была сделана попытка использовать альтернативную технологию: среднечастотная несущая и недиссипативные обратимые цепи.

В 1970-е годы у каждой крупной компании и администрации, занимавшейся проблемами динамики, был большой центр аналоговых вычислений, например:

  • В США : НАСА (Хантсвилл, Хьюстон), Мартин Мариетта (Орландо), Lockheed , Westinghouse , Hughes Aircraft
  • В Европе : CEA ( Комиссия по атомной энергии Франции ), MATRA , Aérospatiale , BAC ( Британская авиастроительная корпорация ).

Аналогово-цифровые гибриды [ править ]

Аналоговые вычислительные устройства быстры, цифровые вычислительные устройства более универсальны и точны, поэтому идея состоит в том, чтобы объединить два процесса для максимальной эффективности. Примером такого гибридного элементарного устройства является гибридный умножитель, в котором один вход является аналоговым сигналом, другой вход является цифровым сигналом, а выход является аналоговым. Он действует как аналоговый потенциометр, обновляемый в цифровом виде. Этот вид гибридной техники в основном используется для быстрых выделенных вычислений в реальном времени, когда время вычислений очень важно при обработке сигналов для радаров и, как правило, для контроллеров во встроенных системах .

В начале 1970-х производители аналоговых компьютеров пытались связать свой аналоговый компьютер с цифровым, чтобы получить преимущества двух методов. В таких системах цифровой компьютер управлял аналоговым компьютером, обеспечивая начальную настройку, инициируя несколько аналоговых прогонов, а также автоматически вводя и собирая данные. Цифровой компьютер может также участвовать в самом расчете, используя аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи .

Крупнейшим производителем гибридных компьютеров была компания Electronics Associates. Их гибридная компьютерная модель 8900 состояла из цифрового компьютера и одной или нескольких аналоговых консолей. Эти системы в основном предназначались для крупных проектов, таких как программа Apollo и Space Shuttle в НАСА или Ariane в Европе, особенно на этапе интеграции, когда вначале все моделируется, а моделируемые части постепенно заменяются реальными компонентами. [32]

Только одна компания была известна как предлагающая общие коммерческие вычислительные услуги на своих гибридных компьютерах, CISI из Франции, в 1970-х годах.

Лучшим справочным материалом в этой области являются 100 000 прогонов моделирования для каждой сертификации систем автоматической посадки самолетов Airbus и Concorde . [33]

После 1980 года чисто цифровые компьютеры развивались все быстрее и быстрее и были достаточно быстрыми, чтобы конкурировать с аналоговыми компьютерами. Одним из ключей к скорости аналоговых компьютеров было их полностью параллельное вычисление, но это также было ограничением. Чем больше уравнений требовалось для решения проблемы, тем больше требовалось аналоговых компонентов, даже если проблема не была критичной по времени. «Программирование» проблемы означало соединение аналоговых операторов; даже со съемной коммутационной панелью это было не очень универсально. Сегодня больше нет больших гибридных компьютеров, а есть только гибридные компоненты. [ необходима цитата ]

Реализации [ править ]

Механические аналоговые компьютеры [ править ]

Основная статья: Механический компьютер
Машина Уильяма Феррела для предсказания приливов 1881–1882 гг.

Несмотря на то, что на протяжении истории было разработано большое количество механизмов, некоторые из них выделяются своей теоретической важностью или тем, что они производились в значительных количествах.

В большинстве практических механических аналоговых компьютеров любой значительной сложности использовались вращающиеся валы для передачи переменных от одного механизма к другому. Кабели и шкивы использовались в синтезаторе Фурье, машине предсказания приливов , которая суммировала отдельные гармонические составляющие. Другая категория, не столь известная, использовала вращающиеся валы только для ввода и вывода с прецизионными рейками и шестернями. Стеллажи были соединены с рычагами, которые выполняли вычисления. По крайней мере, один компьютер управления гидроакустическим огнем ВМС США конца 1950-х годов, сделанный Librascope, был такого типа, как и основной компьютер в Mk. 56 Система управления огнем орудий.

В Интернете есть замечательно понятная иллюстрированная ссылка (OP 1140) [34], которая описывает механизмы компьютера управления огнем. [34] Для сложения и вычитания в некоторых компьютерах широко использовались прецизионные дифференциалы с угловой передачей; Компьютер управления огнем Ford Instrument Mark I содержал около 160 из них.

Интегрирование по другой переменной производилось вращающимся диском, приводимым в движение одной переменной. Выходные данные поступали от датчика (такого как колесо), расположенного на диске с радиусом, пропорциональным второй переменной. (Особенно хорошо работал носитель с парой стальных шариков, поддерживаемый небольшими роликами. Ролик, ось которого параллельна поверхности диска, обеспечивал выход. Он удерживался против пары шариков пружиной.)

Произвольные функции одной переменной обеспечивали кулачки с зубчатым зацеплением для преобразования движения ведомого во вращение вала.

Функции двух переменных обеспечивали трехмерные кулачки. В одной удачной конструкции кулачок вращал одна из переменных. Полусферический толкатель перемещал свой носитель на оси вращения, параллельной оси вращения кулачка. Результатом было вращательное движение. Вторая переменная перемещала толкатель вдоль оси кулачка. Одним из практических применений была баллистика в артиллерийском деле.

Преобразование координат из полярных в прямоугольные было выполнено механическим преобразователем (в компьютерах управления огнем ВМС США он называется «компонентный решатель»). Два диска на общей оси устанавливали на нем скользящий блок со штифтом (коротким валом). Один диск был торцевым кулачком, а толкатель на блоке в канавке торцевого кулачка устанавливал радиус. Другой диск, ближе к штифту, содержал прямую прорезь, в которой перемещался блок. Входной угол поворачивал последний диск (торцевой кулачковый диск на неизменный радиус вращался вместе с другим (угловым) диском; эту коррекцию производили дифференциал и несколько шестерен).

Что касается рамы механизма, положение штифта соответствовало вершине вектора, представленного входными значениями угла и величины. На этом штифте был установлен квадратный блок.

Выходы с прямолинейными координатами (как правило, синус и косинус) поступали от двух пластин с прорезями, каждый из которых соответствует только что упомянутому блоку. Пластины двигались по прямым линиям, одна пластина двигалась под прямым углом к ​​движению другой. Прорези располагались под прямым углом к ​​направлению движения. Каждая пластина сама по себе была похожа на скотч-коромысло , известное любителям паровых машин.

Во время Второй мировой войны аналогичный механизм преобразовывал прямолинейные координаты в полярные, но он не имел особого успеха и был исключен в результате значительного изменения конструкции (USN, Mk. 1 до Mk. 1A).

Умножение производилось с помощью механизмов, основанных на геометрии подобных прямоугольных треугольников. Используя тригонометрические термины для прямоугольного треугольника, а именно противоположного, смежного и гипотенузы, смежная сторона была зафиксирована конструкцией. Одна переменная изменила величину противоположной стороны. Во многих случаях эта переменная меняла знак; гипотенуза может совпадать с соседней стороной (нулевой вход) или выходить за пределы соседней стороны, представляя смену знака.

Как правило, зубчатая рейка, движущаяся параллельно противоположной (определенной триггером) стороне, будет располагать ползун с прорезью, совпадающей с гипотенузой. Шарнир на стойке позволяет свободно изменять угол ползуна. На другом конце ползуна (угол, в триггерных терминах) блок на штифте, закрепленном на раме, определял вершину между гипотенузой и прилегающей стороной.

На любом расстоянии по соседней стороне прямая, перпендикулярная ей, пересекает гипотенузу в определенной точке. Расстояние между этой точкой и соседней стороной - это некоторая доля, которая является произведением 1 расстояния от вершины и 2 величины противоположной стороны.

Вторая входная переменная в этом типе умножителя позиционирует пластину с прорезями перпендикулярно соседней стороне. Этот слот содержит блок, и положение этого блока в его слоте определяется другим блоком рядом с ним. Последний скользит по гипотенузе, поэтому два блока располагаются на расстоянии от (триггерной) смежной стороны на величину, пропорциональную произведению.

Чтобы обеспечить продукт на выходе, третий элемент, еще одна пластина с прорезями, также перемещается параллельно (триггерной) противоположной стороне теоретического треугольника. Как обычно, прорезь перпендикулярна направлению движения. Блок в его гнезде, повернутый к блоку гипотенузы, позиционирует его.

Интегратор особого типа, используемый там, где требовалась лишь умеренная точность, был основан на стальном шарике, а не на диске. У него было два входа: один для вращения шара, а другой для определения угла оси вращения шара. Эта ось всегда находилась в плоскости, которая содержала оси двух отборных роликов, что очень похоже на механизм компьютерной мыши с катящимся шаром (в этом механизме отборные ролики были примерно того же диаметра, что и шарик) . Оси подбирающего ролика располагались под прямым углом.

Пара роликов «над» и «под» плоскостью подборщика была установлена ​​во вращающихся держателях, которые были соединены вместе. Эта передача приводилась в действие угловым входом и устанавливала ось вращения шара. Другой вход вращал «нижний» ролик, заставляя шарик вращаться.

По сути, весь механизм, называемый интегратором компонентов, представлял собой частотно-регулируемый привод с одним входом движения и двумя выходами, а также входом угла. Ввод угла изменял соотношение (и направление) связи между входом «движения» и выходами в соответствии с синусом и косинусом входного угла.

Хотя они не выполняли никаких вычислений, электромеханические сервоприводы положения были необходимы в механических аналоговых компьютерах типа «вращающийся вал» для обеспечения рабочего крутящего момента на входах последующих вычислительных механизмов, а также для управления устройствами передачи выходных данных, таких как большой крутящий момент. - синхронизаторы передатчиков в военно-морских компьютерах.

Другие механизмы считывания, не являющиеся непосредственно частью вычислений, включали внутренние счетчики одометра с интерполирующими барабанами для индикации внутренних переменных и механические многооборотные ограничители хода.

Учитывая, что точно управляемая скорость вращения в аналоговых компьютерах управления огнем была основным элементом их точности, имелся двигатель, средняя скорость которого контролировалась балансиром, волосковой пружиной, дифференциалом с драгоценными подшипниками, двухлепестковым кулачком и пружиной. нагруженные контакты (судовая частота переменного тока не обязательно была точной или достаточно надежной, когда были разработаны эти компьютеры).

Электронные аналоговые компьютеры [ править ]

Коммутационная плата аналогового компьютера EAI 8800 (вид спереди)

Электронные аналоговые компьютеры обычно имеют передние панели с многочисленными гнездами (одноконтактными розетками), которые позволяют соединительным шнурам (гибким проводам с вилками на обоих концах) создавать соединения, которые определяют установку проблемы. Кроме того, существуют прецизионные потенциометры с высоким разрешением (переменные резисторы) для настройки (и, при необходимости, изменения) масштабных коэффициентов. Кроме того, обычно имеется аналоговый измеритель стрелочного типа с нулевым центром для измерения напряжения с умеренной точностью. Стабильные и точные источники напряжения обеспечивают известные величины.

Типичные электронно-аналоговые компьютеры содержат от нескольких до сотни или более операционных усилителей («операционных усилителей»), названных так потому, что они выполняют математические операции. Операционные усилители - это особый тип усилителей с обратной связью с очень высоким коэффициентом усиления и стабильным входом (низким и стабильным смещением). Они всегда используются с прецизионными компонентами обратной связи, которые при работе практически компенсируют токи, поступающие от входных компонентов. Большинство операционных усилителей в репрезентативной установке представляют собой суммирующие усилители, которые складывают и вычитают аналоговые напряжения, обеспечивая результат на своих выходных разъемах. Кроме того, обычно в комплект входят операционные усилители с конденсаторной обратной связью; они интегрируют сумму своих входов по времени.

Интегрирование по другой переменной - почти исключительная прерогатива механических аналоговых интеграторов; это почти никогда не делается в электронных аналоговых компьютерах. Однако, учитывая, что решение проблемы не меняется со временем, время может служить одной из переменных.

Другие вычислительные элементы включают аналоговые умножители, генераторы нелинейных функций и аналоговые компараторы.

Электрические элементы, такие как индукторы и конденсаторы, используемые в электрических аналоговых компьютерах, должны были быть тщательно изготовлены, чтобы уменьшить неидеальные эффекты. Например, при построении анализаторов цепей переменного тока одним из мотивов использования более высоких частот для вычислителя (вместо фактической частоты сети) было то, что более качественные катушки индуктивности можно было бы легче сделать. Многие аналоговые компьютеры общего назначения полностью избегают использования катушек индуктивности, переделывая проблему в форме, которая может быть решена с использованием только резистивных и емкостных элементов, поскольку высококачественные конденсаторы относительно легко изготовить.

Использование электрических свойств в аналоговых компьютерах означает, что вычисления обычно выполняются в реальном времени (или быстрее) со скоростью, определяемой в основном частотной характеристикой операционных усилителей и других вычислительных элементов. В истории электронных аналоговых компьютеров было несколько особых высокоскоростных типов.

Нелинейные функции и вычисления могут быть построены с ограниченной точностью (три или четыре цифры) путем разработки генераторов функций - специальных схем из различных комбинаций резисторов и диодов для обеспечения нелинейности. Как правило, с увеличением входного напряжения все больше диодов проводит.

При компенсации температуры прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора может обеспечить достаточно точную логарифмическую или экспоненциальную функцию. Операционные усилители масштабируют выходное напряжение, чтобы его можно было использовать с остальной частью компьютера.

Любой физический процесс, моделирующий вычисления, можно интерпретировать как аналоговый компьютер. Некоторые примеры, придуманные с целью иллюстрации концепции аналоговых вычислений, включают использование связки спагетти в качестве модели сортировки чисел ; доска, набор гвоздей и резинка как модель нахождения выпуклой оболочки набора точек; и строки, связанные вместе, как модель поиска кратчайшего пути в сети. Все они описаны у Дьюдни (1984).

Компоненты [ править ]

Аналоговый компьютер Newmark 1960 года, состоящий из пяти единиц. Этот компьютер использовался для решения дифференциальных уравнений и в настоящее время находится в Кембриджском технологическом музее .

Аналоговые компьютеры часто имеют сложную структуру, но в их основе лежит набор ключевых компонентов, выполняющих вычисления. Оператор управляет ими через компьютерную структуру.

Ключевые гидравлические компоненты могут включать трубы, клапаны и контейнеры.

Ключевые механические компоненты могут включать вращающиеся валы для передачи данных в компьютер, дифференциалы с угловой шестеренкой , интеграторы диск / шарик / ролик, кулачки (2-D и 3-D), механические резольверы и умножители, а также сервоприводы крутящего момента.

Ключевые электрические / электронные компоненты могут включать:

  • Прецизионные резисторы и конденсаторы
  • операционные усилители
  • Множители
  • потенциометры
  • генераторы с фиксированной функцией

Основные математические операции, используемые в электрическом аналоговом компьютере:

  • добавление
  • интегрирование по времени
  • инверсия
  • умножение
  • возведение в степень
  • логарифм
  • разделение

В некоторых аналоговых компьютерных схемах умножение предпочтительнее деления. Деление осуществляется с помощью умножителя в цепи обратной связи операционного усилителя.

Дифференциация по времени используется нечасто, и на практике ее можно избежать, если это возможно, переопределив проблему. В частотной области он соответствует фильтру высоких частот, что означает усиление высокочастотного шума; дифференциация также чревата нестабильностью.

Ограничения [ править ]

В целом аналоговые компьютеры ограничены неидеальными эффектами. Аналоговый сигнал состоит из четырех основных компонентов: постоянного и переменного тока, величины частоты и фазы. Реальные пределы диапазона этих характеристик ограничивают аналоговые компьютеры. Некоторые из этих ограничений включают смещение операционного усилителя, конечное усиление и частотную характеристику, минимальный уровень шума , нелинейности , температурный коэффициент и паразитные эффекты в полупроводниковых устройствах. Для имеющихся в продаже электронных компонентов диапазоны этих аспектов входных и выходных сигналов всегда являются показателями качества .

Отклонить [ править ]

В 1950-1970-х годах цифровые компьютеры на основе первых электронных ламп, транзисторов, интегральных схем, а затем микропроцессоров стали более экономичными и точными. Это привело к тому, что цифровые компьютеры в значительной степени вытеснили аналоговые. Несмотря на это, некоторые исследования в области аналоговых вычислений все еще проводятся. Некоторые университеты до сих пор используют аналоговые компьютеры для преподавания теории систем управления . Американская компания Comdyna производила небольшие аналоговые компьютеры. [35] В Университете Индианы в Блумингтоне Джонатан Миллс разработал расширенный аналоговый компьютер, основанный на измерении напряжения на листе пенопласта. [36] В Гарвардской лаборатории робототехники, [37]аналоговые вычисления - тема исследования. В схемах коррекции ошибок Lyric Semiconductor используются аналоговые вероятностные сигналы. Правила скольжения по-прежнему популярны среди авиационного персонала. [ необходима цитата ]

Возрождение [ править ]

С развитием технологии очень крупномасштабной интеграции (СБИС) группа Янниса Цивидиса в Колумбийском университете пересмотрела дизайн аналоговых / гибридных компьютеров в стандартном процессе CMOS. Были разработаны два чипа СБИС: аналоговый компьютер 80-го порядка (250 нм) Гленном Коуэном [38] в 2005 г. [39] и гибридный компьютер 4-го порядка (65 нм), разработанный Нинг Го [40] в 2015 г. [ 41]оба нацелены на энергоэффективные приложения ODE / PDE. Чип Гленна содержит 16 макросов, в которых есть 25 аналоговых вычислительных блоков, а именно интеграторы, умножители, разветвители, несколько нелинейных блоков. Чип Нина содержит один макроблок, в котором 26 вычислительных блоков, включая интеграторы, умножители, разветвители, АЦП, SRAM и ЦАП. Генерация произвольной нелинейной функции стала возможной благодаря цепочке ADC + SRAM + DAC, где блок SRAM хранит данные нелинейной функции. Эксперименты из соответствующих публикаций показали, что аналоговые / гибридные компьютеры СБИС продемонстрировали примерно на 1-2 порядка преимущества как во времени решения, так и во времени при достижении точности в пределах 5%, что указывает на перспективность использования аналоговых / гибридных вычислительных технологий в этой области. энергоэффективных приближенных вычислений. [необходимая цитата ]В 2016 году группа исследователей разработала компилятор для решениядифференциальных уравненийс использованием аналоговых схем. [42]

Практические примеры [ править ]

Аналоговый компьютер имитатора Х-15

Это примеры аналоговых компьютеров, которые были сконструированы или использовались на практике:

  • Центральная система управления огнем Boeing B-29 Superfortress
  • Deltar
  • Бортовой компьютер E6B
  • Керрисон Предиктор
  • Аналоговые вычислительные машины Леонардо Торреса и Кеведо на основе "fusee sans fin"
  • Либраскоп , компьютер для взвешивания и балансировки самолета
  • Механический компьютер
  • Механические интеграторы , например планиметр
  • Номограмма
  • Бомбовой прицел Норден
  • Rangekeeper и соответствующие компьютеры управления огнем
  • Scanimate
  • Компьютер данных торпеды
  • Torquetum
  • Водный интегратор
  • MONIAC , экономическое моделирование

Аналоговые (звуковые) синтезаторы также можно рассматривать как разновидность аналогового компьютера, и их технология изначально была частично основана на электронных аналоговых компьютерных технологиях. ARP 2600 «s Ring Модулятор был фактически умеренной точности аналоговый умножитель.

Совет по симуляции (или Совет по симуляции) был ассоциацией пользователей аналоговых компьютеров в США. Сейчас оно известно как Международное общество моделирования и симуляции. Информационные бюллетени Simulation Council с 1952 по 1963 год доступны в Интернете и отражают проблемы и технологии того времени, а также распространенное использование аналоговых компьютеров в ракетостроении. [43]

См. Также [ править ]

  • Аналоговая нейронная сеть
  • Аналогичные модели
  • Теория хаоса
  • Дифференциальное уравнение
  • Динамическая система
  • Программируемая аналоговая матрица
  • Аналоговый компьютер общего назначения
  • Lotfernrohr 7 серия немецких бомбардировщиков времен Второй мировой войны
  • Сигнал (электротехника)
  • Космический корабль "Восход" "Глобус" Навигационный прибор ИМП.
  • XY-писатель

Примечания [ править ]

  1. ^ «Механизмы войны: Когда механические аналоговые компьютеры управляли волнами» . 18 марта 2014. Архивировано из оригинала 8 сентября 2018 года . Дата обращения 14 июня 2017 .
  2. ^ Джонстон, Шон Ф. (2006). Голографические видения: история новой науки . ОУП Оксфорд. п. 90. ISBN 978-0191513886.
  3. ^ Antikythera Механизм научно - исследовательский проект архивации 2008-04-28 в Wayback Machine , The Антикитер механизме научноисследовательский проект. Проверено 1 июля 2007 года.
  4. ^ Фуат Сезгин "Каталог выставки Института истории арабско-исламской науки (в Университете Иоганна Вольфганга Гете", Франкфурт, Германия) Франкфуртская книжная ярмарка 2004, стр. 35 и 38.
  5. ^ Франсуа Charette, археология: Высокотехнологичный из Древней Греции , Nature 444, 551-552 (30 ноября 2006), DOI : 10.1038 / 444551a
  6. ^ Сильвио А. Бедини, Фрэнсис Р. Мэддисон (1966). «Механическая Вселенная: Астрариум Джованни де Донди», Труды Американского Философского Общества 56 (5), стр. 1–69.
  7. Перейти ↑ D. De S. Price (1984). «История вычислительных машин», IEEE Micro 4 (1), стр. 22–52.
  8. ^ Tuncer Орен (2001). «Достижения в компьютерных и информационных науках: от абак к холоническим агентам», Turk J Elec Engin 9 (1), стр. 63–70 [64].
  9. ^ Дональд Рутледж Хилл (1985). «Механический календарь Аль-Бируни», Annals of Science 42 , стр. 139–163.
  10. ^ «Эпизод 11: Древние роботы» , Ancient Discoveries , History Channel , получено 6 сентября 2008 г.
  11. ↑ Ховард Р. Тернер (1997), Наука в средневековом исламе: иллюстрированное введение , стр. 184, Техасский университет Press , ISBN 0-292-78149-0 
  12. ↑ Дональд Рутледж Хилл , «Машиностроение на Средневековом Ближнем Востоке», Scientific American , май 1991 г., стр. 64–69 ( см. Дональд Рутледж Хилл , Машиностроение )
  13. ^ «Удивительный вечный календарь, спрятанный в итальянской часовне» . Атлас-обскура . Дата обращения 7 сентября 2020 .
  14. ^ Ray Girvan, "Выявленная Благодать механизма: вычисления после Бэббиджа" заархивированного 3 ноября 2012 года, в Wayback Machine , Scientific Computing World , май / июнь 2003
  15. ↑ Шеннон, Робин (18 марта 2019 г.). Линейные интегральные схемы . Электронные научные ресурсы. ISBN 978-1-83947-241-1.
  16. ^ Томас Парк Хьюз Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880–1930 JHU Press, 1993 ISBN 0-8018-4614-5 стр. 376 
  17. ^ Джеймс Э. Томайко, Полностью электронный аналоговый компьютер Хельмута Хельцера ; В: IEEE Annals of the History of Computing , Vol. 7, No. 3, pp. 227–240, июль – сентябрь. 1985, DOI : 10,1109 / MAHC.1985.10025
  18. Перейти ↑ Neufeld, Michael J. (2013). Ракета и Рейх: Пенемюнде и наступление эры баллистических ракет . Смитсоновский институт. п. 138. ISBN 9781588344663.
  19. ^ Ульман, Бернд (22 июля 2013). Аналоговые вычисления . Вальтер де Грюйтер. п. 38. ISBN 9783486755183.
  20. Перейти ↑ Neufeld (2013) , p. 106.
  21. ^ Tomayko, Джеймс Е. (1 июля 1985). «Гельмут Хельцер». IEEE Annals of the History of Computing . 7 (3): 227–240. DOI : 10.1109 / MAHC.1985.10025 . S2CID 15986944 . 
  22. ^ Метрополис, Н. «Начало метода Монте-Карло». Los Alamos Science, № 15, стр. 125
  23. ^ Смолл, Дж. С. «Аналоговая альтернатива: электронный аналоговый компьютер в Великобритании и США, 1930–1975 гг.» Psychology Press, 2001, с. 90
  24. ^ Смолл, Дж. С. «Аналоговая альтернатива: электронный аналоговый компьютер в Великобритании и США, 1930–1975 гг.» Psychology Press, 2001, с. 93
  25. Перейти ↑ Bissell, C. (1 февраля 2007 г.). «Исторические перспективы - Гидромеханический аналоговый компьютер Moniac 1950-х годов» (PDF) . Журнал IEEE Control Systems . 27 (1): 69–74. DOI : 10,1109 / MCS.2007.284511 . ISSN 1066-033X . S2CID 37510407 .   
  26. ^ «История - Аккаунты» . me100.caltech.edu .
  27. ^ Карплуса, Walter J. (29 ноября 2017). «Аналоговое моделирование: решение полевых задач» . МакГроу-Хилл - через Google Книги.
  28. ^ Петерсен, Джули К. (2003). Иллюстрированный словарь по волоконной оптике . CRC Press. п. 441. ISBN. 978-0-8493-1349-3.
  29. ^ "Heathkit EC - 1 Образовательный аналоговый компьютер" . Музей истории компьютеров. Архивировано из оригинального 20 мая 2010 года . Дата обращения 9 мая 2010 .
  30. ^ a b Гибридный компьютер EPE - Часть 1 (ноябрь 2002 г.), Часть 2 (декабрь 2002 г.), Ежедневная практическая электроника
  31. ^ "Описание системы Научная вычислительная система EAI 8800" (PDF) . 1 мая 1965 . Проверено 17 сентября 2019 года .
  32. ^ Смолл, Джеймс С. (2001). Аналоговая альтернатива. Электронный аналоговый компьютер в Великобритании и США, 1930-1975 . Лондон: Рутледж. С. 119–178.
  33. ^ Havránek, Билл (1 августа 1966). Роль гибридного компьютера в моделировании сверхзвукового транспорта . МОДЕЛИРОВАНИЕ . 7 . С. 91–99.
  34. ^ а б «Основные механизмы управления огнем» . maritime.org .
  35. ^ «Аналоговые компьютеры» . Comdyna . Архивировано из оригинала на 1 декабря 2017 года . Проверено 6 октября 2008 года .
  36. ^ "Машины Кирхгофа-Лукасевича" .
  37. ^ "Гарвардская лаборатория робототехники" .
  38. ^ "Гленн Коуэн" . Concordia.ca . Проверено 5 февраля +2016 .
  39. ^ Коуэн, Германия; Мелвилл, RC; Цивидис, Ю. (1 февраля 2005 г.). «Аналоговый компьютер / математический сопроцессор СБИС для цифрового компьютера». Конференция по твердотельным схемам, 2005. Сборник технических статей. ISSCC. 2005 IEEE International . 1 : 82–586. DOI : 10.1109 / ISSCC.2005.1493879 . ISBN 978-0-7803-8904-5. S2CID  38664036 .
  40. ^ "Нин Го" . Колумбийский университет . Проверено 5 февраля +2016 .
  41. ^ Го, Нин; Хуанг, Ипэн; Май, Дао; Патил, С .; Цао, Чи; Сок, Мингу; Sethumadhavan, S .; Цивидис, Ю. (1 сентября 2015 г.). «Гибридные вычисления в непрерывном времени с программируемыми нелинейностями». Европейская конференция по твердотельным схемам (ESSCIRC), ESSCIRC 2015 - 41st : 279–282. DOI : 10.1109 / ESSCIRC.2015.7313881 . ISBN 978-1-4673-7470-5. S2CID  16523767 .
  42. ^ «Аналоговые вычисления возвращаются» .
  43. ^ "Информационный бюллетень Совета по моделированию" . Архивировано из оригинального 28 мая 2013 года .

Ссылки [ править ]

  • AK Dewdney. «О компьютере-спагетти и других аналоговых гаджетах для решения проблем», Scientific American , 250 (6): 19–26, июнь 1984 г. Перепечатано в «Кресельной Вселенной » А. К. Дьюдни, опубликовано WH Freeman & Company (1988), ISBN 0-7167-1939-8 . 
  • Амстердамский компьютерный музей. (2007). Аналоговые компьютеры .
  • Джексон, Альберт С., «Аналоговые вычисления». Лондон и Нью-Йорк: McGraw-Hill, 1960. OCLC 230146450 

Внешние ссылки [ править ]

  • Восьмиступенчатый лунно-солнечный календарь Бируни в "Археологии: Высокие технологии из Древней Греции", Франсуа Шаретт, Nature 444, 551–552 (30 ноября 2006 г.), doi : 10.1038 / 444551a
  • Первые компьютеры
  • Большая коллекция электронных аналоговых компьютеров с большим количеством изображений, документации и образцов реализации (некоторые на немецком языке)
  • Большая коллекция старых аналоговых и цифровых компьютеров в Музее старых компьютеров
  • Великое исчезновение: электронный аналоговый компьютер Крис Биссел, Открытый университет, Милтон-Кейнс, Великобритания, дата обращения: февраль 2007 г.
  • Немецкий компьютерный музей с работающими аналоговыми компьютерами
  • Основы аналогового компьютера
  • Аналоговый компьютер превосходит модель Тьюринга
  • Аналоговый ноутбук Джонатана В. Миллса
  • Аналоговые вычисления лаборатории Harvard Robotics
  • Компьютер Enns Power Network - аналоговый компьютер для анализа электроэнергетических систем (реклама 1955 г.)
  • Компания Librascope Development - Тип LC-1 ВМС времен Второй мировой войны PV-1 "Балансный компьютер"
  • - Kronis Technology Подробнее об аналоговых и гибридных компьютерах