Analog dator

En analog dator eller en analog dator ( AVM ) är en dator som representerar numeriska data med hjälp av analoga fysiska parametrar ( hastighet , längd , spänning , ström , tryck ), vilket är dess huvudsakliga skillnad från en digital dator . En annan grundläggande skillnad är avsaknaden av ett lagrat program i datorn, under kontroll av vilken en och samma dator kan lösa olika problem. Uppgiften som ska lösas (klass av uppgifter) bestäms strikt av AVM:s interna struktur och de inställningar som gjorts (anslutningar, installerade moduler, ventiler, etc.). Även för universella AVM:er krävde att lösa ett nytt problem en omstrukturering av enhetens interna struktur.

Historik

Obs: för jämförelse anges individuella steg i utvecklingen av digitala datorenheter.

En av de äldsta analoga enheterna anses vara Antikythera-mekanismen  - en mekanisk enhet som upptäcktes 1902 på ett gammalt sjunket skepp nära den grekiska ön Antikythera . Daterad till omkring 100 f.Kr. e. (kanske före 150 f.Kr.). Bevarad på National Archaeological Museum i Aten .

Astrologer och astronomer använde den analoga astrolabben från 300-talet f.Kr. fram till 1800-talet e.Kr. Detta instrument användes för att bestämma stjärnornas position på himlen och beräkna längden på dagen och natten. Den moderna ättlingen till astrolabiet är planisfären  , en rörlig karta över stjärnhimlen som används för utbildningsändamål.

Hur det fungerar

I drift simulerar en analog dator en beräkningsprocess, medan egenskaperna som representerar digitala data ständigt förändras över tiden.

Resultatet av en analog dator är antingen grafer avbildade på papper eller på en oscilloskopskärm , eller en elektrisk signal som används för att styra en process eller en mekanism.

Dessa datorer är idealiskt [6] lämpade för automatisk styrning av produktionsprocesser, eftersom de omedelbart [6] reagerar på olika förändringar i indata. Den totala hastigheten på deras arbete är dock låg, eftersom beräkningarna till stor del är baserade på transienter i reaktiva komponenter och också begränsas av frekvensbandet och belastningskapaciteten hos operationsförstärkare. Sådana datorer användes i stor utsträckning i vetenskaplig forskning. Till exempel i experiment där billiga elektriska eller mekaniska anordningar kan simulera de situationer som studeras.

I ett antal fall går det med hjälp av analoga datorer att lösa problem med mindre hänsyn till beräkningarnas noggrannhet än när man skriver ett program för en digital dator. Till exempel för elektroniska analoga datorer implementeras uppgifter som kräver lösning av differentialekvationer , integration eller differentiering utan problem . För var och en av dessa operationer används specialiserade kretsar och noder, vanligtvis med användning av operationsförstärkare . Integrationen är också lätt att implementera på hydrauliska analoga maskiner.

Grundläggande element

Alla funktionella block av analoga datorer kan delas in i ett antal grupper:

  1. linjär - utför matematiska operationer som integration , summering , teckenomkastning, multiplikation med en konstant .
  2. icke-linjär (funktionella omvandlare) - motsvarar funktionens icke-linjära beroende av flera variabler .
  3. logisk  - enheter med kontinuerlig, diskret logik, reläkopplingskretsar . Tillsammans bildar dessa enheter en parallell logisk enhet.

Universal AVM innehåller som regel i sin sammansättning:

används också:

. Lagringsenhet
  • Kapacitiva lagringsenheter är dynamiska lagringsenheter baserade på egenskapen hos kondensatorer för att lagra spänningen som appliceras på den. En kapacitiv lagringscell bildas på en konventionell integrator med olika switchar . Ibland introduceras en operationsförstärkare  , en repeater, i integratorn för att minska tiden för memoreringsprocessen . Lagringstiden för information i sådana enheter är begränsad.
  • Spänningsdelare  - en elektromekanisk lagringsenhet där de lagrade värdena motsvarar reostaternas rotationsvinklar . Sådana enheter kan lagra information på obestämd tid.
  • Ett minnespar är en enhet som genererar en tidsfördröjd sekvens av valda insignalnivåer. Som ett minnespar används ofta kaskadkopplade operationsförstärkare , varav en arbetar i insignalspårningsmoden och den andra i lagringsmoden.
  • Lagringsenheten på ferritkärnor  är baserad på ferromagneternas egenskap att behålla magnetisering. Cellerna i sådana minnesenheter är gjorda på ferritkärnor eller på transfluxorer och toroidformade kärnor. Användningen av transfluxorer och toroidformade kärnor minskar fel samtidigt som hastigheten minskar.

Egenskaper

Kvalitetsfaktorn för AVM  är en generaliserad egenskap hos en analog dator, beräknad med formeln:

,

där  är det maximalt möjliga värdet för maskinvariabeln,  är den nedre gränsen för maskinvariabelns möjliga värde. Gränser bestäms vanligtvis experimentellt. Det numeriska värdet beror på störningsnivån, fel i analoga funktionsblock , noggrannheten hos den använda mätutrustningen. Kvalitetsfaktorn för kraftfulla AVM:er överstiger [6] .

Klassificering

Alla AVM:er kan delas in i två huvudgrupper:

  • Specialiserad - utformad för att lösa en given smal klass av uppgifter (eller en uppgift);
  • Universal - designad för att lösa ett brett spektrum av uppgifter.

Beroende på typen av arbetsvätska

AVM mekanisk

En analog dator där maskinvariabler reproduceras genom mekaniska rörelser. När man löser problem på en AVM av denna typ är det nödvändigt, förutom skalningsvariabler, att utföra en kraftberäkning av strukturen och beräkning av döda rörelser. Fördelarna med mekaniska AVM:er är hög tillförlitlighet och reversibilitet, vilket gör det möjligt att reproducera direkta och omvända matematiska operationer. Nackdelarna med denna typ av AVM är höga kostnader, komplexitet i tillverkningen, stora dimensioner och vikt, samt en låg effektivitetskoefficient vid användningen av individuella beräkningsenheter. Mekaniska AVM:er används i konstruktionen av mycket pålitliga datorenheter [6] .

Det allmänna namnet för flödesstrukturer (pneumatiska och hydrauliska) utformade för beräkningar, etc. uppgifter är pneumonik (se Jetlogik ) [7] .

AVM pneumatic

En analog dator där variabler representeras som luft ( gas ) tryck vid olika punkter i ett speciellt konstruerat nätverk. Elementen i en sådan AVM är chokes , tankar och membran. Drosslar spelar rollen som motstånd, de kan vara konstanta, variabla, icke-linjära och justerbara. Pneumatiska behållare är blinda eller flödeskammare, i vilka trycket, på grund av luftens kompressibilitet , ökar när de fylls. Membran används för att omvandla lufttrycket. Den pneumatiska AVM:n kan innefatta förstärkare , adderare , integratorer, funktionella omvandlare och multipliceringsanordningar, som är anslutna till varandra med hjälp av kopplingar och slangar . Pneumatiska AVM:er är sämre i hastighet än elektroniska. I genomsnitt har de rörliga elementen i en sådan AVM en svarstid på ungefär en tiondels millisekund, därför kan de passera frekvenser i storleksordningen 10 kHz . Sådana AVM kännetecknas av betydande fel, därför används de där andra typer av datorer inte kan användas: i explosiva miljöer, i miljöer med höga temperaturer, i automatiska kemiska produktionssystem. På grund av sin låga kostnad och höga tillförlitlighet används sådana AVM även inom metallurgi, termisk kraftteknik, gasindustri, etc. [6]

1960-talet utvecklades de för att erhålla ett sätt för diskret beräkning med hög strålningshårdhet . Element utvecklades som utför grundläggande logiska operationer och minneselement utan mekaniska rörliga element.

Sådana element är mycket hållbara, eftersom det praktiskt taget inte finns några rörliga delar i dem, och som ett resultat finns det inget att bryta. I händelse av igensättning av kanalerna kan logikmatriserna enkelt tas isär och tvättas. Den pneumatiska datorn drivs av ett industriellt pneumatiskt nätverk. Logikmatriser stämplas enkelt på formsprutningsmaskiner av plast. För speciella fall kan matrisen vara gjord av eldfast keramik, gjutjärn eller annan legering.

Nu används pneumatiska datorer i industrier som kräver ökat vibrationsmotstånd, prestanda över ett mycket brett temperaturområde eller behovet av att styra pneumatiska kraftenheter. I det senare fallet elimineras behovet av elektriska signal-till-förskjutningsomvandlare ( elektro-pneumatisk omvandlare + lägesställare ). Dessa är robotar och automation som arbetar inom metallurgi, inom gruvindustrin. Det finns kända fall av styrande delar av flygplansmotorer, automatiska missilsystem, kraftdrivningar av helikoptrar och flygplan.

Det finns också en hel kategori av industrier, enheter och installationer där användningen av el, även de lägsta spänningarna, är mycket oönskad. Dessa är organiska föreningars kemi, oljeraffinaderier, underjordisk brytning av kol och malm. De använder i stor utsträckning pneumatisk automation .

Hydrauliska AVMs

V. S. Lukyanov föreslog 1934 principen om hydrauliska analogier och implementerade 1936 den första " hydrauliska integratorn " - en anordning utformad för att lösa differentialekvationer, vars funktion är baserad på vattenflödet. Därefter användes sådana enheter i dussintals organisationer och användes fram till mitten av 1980-talet [8] [9] .

De första exemplaren var ganska experimentella, gjorda av plåt- och glasrör, och var och en kunde endast användas för en uppgift.

1941 skapade Lukyanov en hydraulisk integrator av modulär design, som gjorde det möjligt att montera en maskin för att lösa olika problem.

1949 skapade William Phillips den hydrauliska datorn MONIAC , fokuserad på modellering av finansiella flöden.

1949-1955 utvecklade NIISCHETMASH Institute en integrator i form av enhetliga standardblock. 1955, vid Ryazan-fabriken för beräknings- och analysmaskiner , började serieproduktionen av integratorer med fabriksmärket "IGL" (Lukyanovs hydrauliska systemintegrator).

För närvarande lagras två Lukyanov-hydrointegratorer i Polytechnic Museum [8] .

Elektriska AVM:er

Dessa är analoga datorer där variablerna representeras av en elektrisk likspänning. De används ofta på grund av hög tillförlitlighet, snabbhet, enkel hantering och att få resultat.

Kombinerade AVM:er Elektromekaniska AVM:er

Ett exempel på en kombinerad AVM är en elektromekanisk AVM, där maskinvariablerna är mekaniska (vanligtvis rotationsvinkel) och elektriska (vanligtvis spänning) storheter. Roterande transformatorer och tachogeneratorer är specifika för denna typ av AVM. AVM:er av denna typ är mindre tillförlitliga än mekaniska på grund av närvaron av glidkontakter.

Efter designfunktioner

AVM-matristyp

AVM av matristyp (gruppanalogmaskin) är en analog maskin i vilken enskilda enkla beräkningsenheter är stelt sammankopplade till identiska typiska grupper. Används främst för modellering av differentialekvationer . I detta fall måste problemet först reduceras till ett system av första ordningens differentialekvationer motsvarande det. Varje typisk grupp av beräkningselement används för att modellera en ekvation. En AVM av matristyp behöver en viss skalningsprocess, där värdena för koefficienterna för en kolumn i matrisen måste ha samma ordning. Uppsättningen av uppgifter på sådana AVM:er reduceras till att ställa in koefficienter och initiala villkor. Nackdelen med AVM av denna typ är den låga effektiviteten av användningen av enskilda enheter. Denna typ av AVM inkluderar huvudsakligen mekaniska AVM [6] .

AVM av strukturell typ

Strukturellt arbetande analog maskin, i vilken de enklaste beräkningsenheterna är sammankopplade i enlighet med de matematiska operationerna för ekvationen som löses. Används för matematisk modellering.

Som funktion

Snabb AVM

AVM med periodisering, med upprepning av lösningen - en analog dator där stadierna för att lösa problem automatiskt upprepas med hjälp av ett växlingssystem. Gränsen för upprepningsfrekvensen bestäms av beslutselementens frekvensegenskaper. Beräkningselement av AVM med enkelverkan (operationsförstärkare, funktionella omvandlare, etc.) är lämpliga för användning i AVM med periodisering. I sådana AVM:er används integratorer med en liten tidskonstant. Utformningen av höghastighets-AVM är mer komplex än den för en enkelverkande AVM, eftersom speciella kretsar används för att ladda ur kondensatorer i slutet av en cykel och kretsar för att automatiskt mata in initiala värden i början av varje beräkningscykel. Den största fördelen med denna typ av AVM är möjligheten att observera förändringen i resultatet beroende på parametrarna i realtid. Höghastighets-AVM:er används för att approximera överföringsfunktionen för ett fysiskt system från en familj av dess transienta svar, för att lösa problem med gränsvärden, beräkna Fourier-integralen och utföra korrelationsanalys .

Långsam AVM

En enkelverkande analog dator som använder integratorer med relativt stora tidskonstanter. Lösningen av typiska problem på sådana AVM:er varar från flera sekunder till flera minuter. I det här fallet kan resultatet av att ändra parametrarna fastställas först efter att alla beräkningscykler har slutförts [6] .

Iterativ AVM

En analog dator som utför processen att lösa ett problem på ett iterativt sätt under ett visst antal iterationer . Specificiteten hos en sådan AVM gör det möjligt att kontrollera beräkningsförloppet vid givna tidpunkter. Till exempel är det möjligt att bearbeta värden från integratörernas utgångar och skicka information från en cykel till en annan, beroende på förhållandena [6] .

Applikation

Analoga elektroniska datorer är baserade på att ställa in de fysiska egenskaperna hos deras komponenter. Detta görs vanligtvis genom att slå på och stänga av vissa element från kretsarna som förbinder dessa element med ledningar, och ändra parametrarna för variabla resistanser , kapacitanser och induktanser i kretsarna.

En automatisk växellåda för bilar är ett exempel på en hydromekanisk analog dator där vätskan i den hydrauliska drivenheten ändrar tryck när vridmomentet ändras, vilket gör det möjligt att erhålla det önskade slutliga utväxlingsförhållandet.

Innan tillkomsten av kraftfull och pålitlig digital utrustning användes analoga datorer i stor utsträckning inom flyg- och raketteknik, för operativ bearbetning av olika information och den efterföljande genereringen av styrsignaler i autopiloter och olika mer komplexa automatiska flygkontrollsystem, eller andra specialiserade processer .

Förutom tekniska tillämpningar (automatiska växellådor, musikaliska synthesizers ) används analoga datorer för att lösa specifika beräkningsproblem av praktisk karaktär. Till exempel användes den kammekaniska analoga datorn som visas på bilden i lokbyggen för att uppskatta 4:e ordningens kurvor med hjälp av Fourier-transformer .

Mekaniska datorer användes i de första rymdflygningarna och visade information med hjälp av förskjutningen av ytindikatorn. Från den första bemannade rymdfärden fram till 2002 var alla bemannade sovjetiska och ryska rymdfarkoster från Vostok , Voskhod och Soyuz -serien utrustade med en Globus-dator som visar jordens rörelse genom förskjutningen av en miniatyrkopia av jordklotet och data om latitud och longitud [ 10] .

Militär utrustning

Inom militär teknik har ett annat namn historiskt utvecklats för analoga datorenheter för artillerieldledning, bombning på hög höjd och andra militära uppgifter som kräver komplexa beräkningar - detta är en beräkningsenhet . Ett exempel är en luftvärnsbrandledningsanordning .

Analog teknik är intressant för militären på två sätt: den är extremt snabb, och under störningsförhållanden kommer maskinens prestanda att återställas så snart störningarna försvinner.

Modern teknik

Nu har analoga datorer gett vika för digital teknik, automationssystem och signalbehandling baserad på några FPGA- chips för "blandade" digitala och analoga signaler.

Representanter

Analoga datorenheter inkluderar:

FERMIAC

FERMIAC  är en analog dator som uppfanns av fysikern Enrico Fermi 1946 för att hjälpa hans forskning. Monte Carlo-metoden användes för att simulera neutroners rörelse i olika typer av kärnkraftssystem. Givet den initiala fördelningen av neutroner är målet med modellering att utveckla många "neutrongenealogier", eller modeller av beteendet hos enskilda neutroner, inklusive varje kollision, spridning och kärnklyvning . I varje steg användes pseudoslumptal för att fatta beslut om neutronernas beteende , "genererade" av inställningarna för trummorna för en given enhet.

"Iterator"

"Iterator" är en specialiserad AVM designad för att lösa linjära gränsvärdesproblem för system med linjära differentialekvationer . Utvecklad vid Institutet för cybernetik vid Vetenskapsakademin i den ukrainska SSR 1962 .

"Iterator" löser gränsvärdesproblemet med Newtons iterativa metod , vilket reducerar det till att lösa flera differentialekvationer med givna initiala villkor. Denna algoritm består i att bestämma matrisen av förstaderivator med avseende på komponenterna i initialvillkorsvektorn och automatiskt söka efter en lösning på gränsvärdesproblemet med användning av denna matris. Tack vare den tillämpade metoden säkerställs konvergensen av den iterativa processen med ett givet tillåtet beslutsfel i tre till fyra iterationer.

Förutom system av differentialekvationer med konstanta och variabla koefficienter av 2: e ordningen med linjära randvillkor, löser "Iterator" system av linjära algebraiska ekvationer av n :e ordningen med en godtycklig matris av koefficienter.

Egenskaper
  • den maximala ordningen för systemet av differentialekvationer som ska lösas är 8;
  • det maximala antalet poäng i integrationsintervallet som ingår i gränsvillkoren är 3;
  • maximalt fel - upp till 3%;
  • antal operationsförstärkare  - 21;
  • strömförbrukning - 1kV·A.

"MN"

Familj av analoga datorer. Namnet är en förkortning av orden "icke-linjär modell". Designades för att lösa Cauchy-problem för vanliga differentialekvationer . Den mest perfekta representanten för denna serie av maskiner var MN-18- maskinen  - en AVM med medelkraft, designad för att lösa komplexa dynamiska system som beskrivs av differentialekvationer upp till tionde ordningen som en del av ett analog-digitalt datorsystem eller oberoende av matematiska system. modelleringsmetoder . Kontrollschemat möjliggör samtidig och separat lansering av integratörer av grupper, engångsproblemlösning och repetitiv problemlösning. Det är möjligt att kombinera upp till fyra MN-18-maskiner till ett enda komplex.

Egenskaper hos MH-18
  • antalet operationsförstärkare - 50;
  • den maximala ordningen för ekvationerna som ska lösas är 10;
  • intervall av applicerade värden ± 50 V;
  • integrationstid - 1000 s;
  • strömförbrukning - 0,5 kV × A.

Se även artikel MH-10 .

Intressanta fakta

Den mänskliga hjärnan  är den mest kraftfulla och effektiva "analoga enheten" som finns. Och även om överföringen av nervimpulser sker på grund av diskreta signaler, är information i nervsystemet inte representerad i digital form. Neurodatorer  är analoga hybriddatorer (modeller implementerade på digitala datorer) byggda på element som fungerar på liknande sätt som hjärnceller [11] .

Se även

Anteckningar

  1. Arkiverad kopia (länk ej tillgänglig) . Hämtad 8 december 2010. Arkiverad från originalet 23 januari 2010.   1674
  2. https://polymus.ru/ru/persons/aleksey-krylov/ Arkivexemplar daterad 26 maj 2021 på Wayback Machine ALEXEY KRYLOV // Polytechnic Museum
  3. Träningsfilm 1953 "Fire Control Computers": Del 1 Arkiverad 1 december 2011 på Wayback Machine  , Del 2 Arkiverad 7 januari 2012 på Wayback Machine 
  4. http://www.nsc.ru/win/elbib/data/show_page.dhtml?77+87 Arkivkopia daterad 3 september 2021 på Wayback Machine Ordlista // Novosibirsk State University
  5. Perceptroner . Hämtad 8 december 2010. Arkiverad från originalet 19 augusti 2011.
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 Dictionary of Cybernetics / Ed. Akademiker V. S. Mikhalevich . - 2:a uppl. - K . : Huvudupplagan av den ukrainska sovjetiska uppslagsboken uppkallad efter M. P. Bazhan, 1989. - 751 s. - (C48). — 50 000 exemplar.  - ISBN 5-88500-008-5 .
  7. Zalmanzon L. A. Theory of the elements of pneumonics .. - M . : Nauka, 1969. - 177 sid.
  8. 1 2 Solovieva O. V. Hydrogenerators V. S. Lukyanova (otillgänglig länk) . Yrkeshögskolans museum. Arkiverad från originalet den 28 mars 2012.  
  9. Solovieva O. Vattendatorer  // "Science and Life": Journal. - M. , 2000. - Nr 4 .
  10. Datorer efter typ av arbetsmiljö . Hämtad 3 september 2021. Arkiverad från originalet 3 september 2021.
  11. Gorban A. N. Neurocomputer, eller den analoga renässansarkivkopian daterad 12 maj 2013 på Wayback Machine , PC World, 1994, nr 10, 126-130 .

Länkar