KOMPUTERY ANALOGOWE: CHARAKTERYSTYKA, PODZESPOŁY, TYPY - TECHNOLOGIA - 2026

Te komputery analogowe to rodzaj komputera, który używa stale zmieniającym aspektów zjawisk fizycznych, takich jak wielkości elektrycznych, mechanicznych lub hydraulicznych do modelowania problem jest rozwiązany.

Oznacza to, że są to komputery działające na liczbach reprezentowanych przez bezpośrednio mierzalne wartości ciągłe, takie jak ciśnienie, temperatura, napięcie, prędkość i waga. Z drugiej strony komputery cyfrowe przedstawiają te wartości symbolicznie.

Źródło: X-15_Analog_computer Według Jak to jest zrobione - https://www.youtube.com/watch?v=PW1NAcZLDgs, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52164169

Komputery analogowe mogą mieć bardzo szeroki zakres złożoności. Najprostsze to suwaki logiczne i nomogramy, a komputery sterujące działami morskimi i duże hybrydowe komputery cyfrowo-analogowe należą do najbardziej skomplikowanych. W tamtym czasie były to pierwsze opracowane maszyny komputerowe.

Systemy sterowania procesami i przekaźniki zabezpieczeniowe wykorzystują obliczenia analogowe do wykonywania funkcji sterowania i ochrony.

W latach 60-tych głównym producentem była amerykańska firma Electronic Associates ze swoim komputerem analogowym 231R, z lampami próżniowymi i 20 integratorami. Później z jego analogowym komputerem 8800, z tranzystorowymi wzmacniaczami operacyjnymi i 64 integratorami.

Zastąpienie przez komputery cyfrowe

W latach 60-tych 70-tych komputery cyfrowe, oparte najpierw na lampach próżniowych, a później na tranzystorach, układach scalonych i mikroprocesorach, stały się bardziej ekonomiczne i precyzyjne.

Doprowadziło to do tego, że komputery cyfrowe w dużej mierze zastąpiły komputery analogowe. Jednak komputery analogowe nadal były używane w zastosowaniach naukowych i przemysłowych, ponieważ w tamtym czasie były one zwykle znacznie szybsze.

Na przykład nadal były używane w niektórych konkretnych zastosowaniach, takich jak komputer pokładowy w samolotach.

Bardziej złożone zastosowania, takie jak radar z syntetyczną aperturą, pozostawały pod dominacją analogowych komputerów aż do lat 80., ponieważ komputery cyfrowe były niewystarczające do tego zadania.

Wciąż trwają badania nad komputerami analogowymi. Niektóre uniwersytety nadal używają komputerów analogowych do nauczania teorii systemów sterowania.

cechy

Przetwarzanie danych analogowych

Komputer analogowy służy do przetwarzania danych analogowych, takich jak napięcie, temperatura, ciśnienie, prędkość itp. Ciągle przechowuje dane wielkości fizycznych i wykonuje obliczenia za pomocą tych pomiarów.

Różni się on znacznie od komputera cyfrowego, który używa liczb symbolicznych do przedstawiania wyników.

Komputery analogowe świetnie sprawdzają się w sytuacjach wymagających bezpośredniego pomiaru danych, bez konwertowania ich na liczby lub kody.

Korzystanie z sygnałów analogowych

Komputer analogowy wykorzystuje sygnał analogowy, który może być reprezentowany jako ciągła lub sinusoidalna, zawierająca wartości zmieniające się w czasie.

Sygnał analogowy może mieć różną amplitudę lub częstotliwość. Wartość amplitudy to intensywność sygnału odnosząca się do jego najwyższego punktu, zwanego grzbietem, i jego najniższych punktów. Z drugiej strony wartość częstotliwości to jej fizyczna długość od lewej do prawej.

Przykładami sygnałów analogowych są dźwięk lub mowa ludzka przez naelektryzowany drut miedziany.

Komputery analogowe nie wymagają żadnej pojemności, ponieważ podczas jednej operacji mierzą i porównują ilości.

Ograniczona precyzja

Reprezentacje analogowe mają ograniczoną dokładność, zwykle do kilku miejsc po przecinku.

Dokładność komputera analogowego jest ograniczona przez jego elementy obliczeniowe, a także jakość zasilania wewnętrznego i połączeń elektrycznych.

Ogranicza go głównie precyzja zastosowanego sprzętu odczytującego, która zwykle wynosi trzy lub cztery miejsca po przecinku.

Programowanie

Programowanie w komputerze analogowym polega na przekształceniu równań problemu na analogowy obwód komputera.

Do czego służą komputery analogowe?

Służą do przedstawiania danych za pomocą mierzalnych wielkości, takich jak napięcia lub obroty przekładni, w celu rozwiązania problemu, zamiast wyrażać dane w postaci liczb.

Monitorowanie i kontrolowanie

W systemach monitorowania i sterowania służą do wyznaczania wzoru sterowania i obliczania parametrów procesu, takich jak sprawność, moc, wydajność i inne.

Jeśli możesz przypisać wyrażenie matematyczne definiujące skojarzenie parametru ze współrzędnymi obiektu, komputer analogowy może rozwiązać odpowiednie równanie.

Na przykład komputery analogowe są szeroko stosowane do oceny efektywności ekonomicznej systemów elektroenergetycznych i mogą służyć jako automatyczne regulatory.

Często są używane do sterowania procesami, takimi jak rafinerie ropy naftowej, gdzie ważne są ciągłe pomiary przepływu i temperatury.

Zaawansowana analiza

Wielokrotnie rozwiązując układ równań opisujących kontrolowany proces, komputer analogowy może w krótkim czasie przeskanować dużą liczbę alternatywnych rozwiązań. W tym celu wykorzystuje różne wartości parametrów, które mogą ulec zmianie w trakcie procesu.

Wymaganą jakość można zagwarantować za pomocą sygnałów sterujących podawanych przez komputer analogowy.

Wartości określone przez komputer są przesyłane do urządzenia regulacyjnego, które dostosowuje punkty kontrolne.

Określenie niepokojących lub przydatnych sygnałów

Wielkość zakłócającego lub użytecznego sygnału jest określana za pomocą równań różniczkowych, które opisują układ dynamiczny, wartości warunków początkowych, oprócz zmian określonych w statystykach mierzących szum i sygnał.

Z komputera analogowego można również zbudować instrumenty, które automatycznie rejestrują zakłócenia i wytwarzają sygnał sterujący, który będzie zależny od charakteru i ilości zakłóceń.

Symulacja systemów dynamicznych

Symulacje mogą być przeprowadzane w czasie rzeczywistym lub przy bardzo dużych prędkościach, co pozwala na eksperymentowanie z powtarzającymi się przebiegami ze zmienionymi zmiennymi.

Były szeroko stosowane w symulacjach samolotów, elektrowniach jądrowych, a także w przemysłowych procesach chemicznych.

składniki

Wzmacniacz operacyjny

Większość elektrycznych komputerów analogowych działa na zasadzie manipulacji napięciami lub różnicami potencjałów. Jego podstawowym elementem jest wzmacniacz operacyjny, czyli urządzenie, którego prąd wyjściowy jest proporcjonalny do wejściowej różnicy potencjałów.

Sprawiając, że prąd wyjściowy przepływa przez odpowiednie komponenty, uzyskuje się więcej różnic potencjałów i można wykonać wiele różnych operacji matematycznych, w tym dodawanie, odejmowanie, inwersję i całkowanie.

Komputer elektryczny analogowy składa się z wielu typów wzmacniaczy. Można je połączyć w celu wygenerowania matematycznego wyrażenia o dużej złożoności iz wieloma zmiennymi.

Elementy hydrauliczne

Kluczowe elementy hydrauliczne mogą obejmować rury, zawory i zbiorniki.

Elementy mechaniczne

Mogą występować wały obrotowe do transportu danych w komputerze, przekładnie różnicowe, integratory tarczowe, kulkowe lub rolkowe, krzywki 2D i 3D, mechaniczne resolwery i multiplikatory oraz serwomotory.

Elementy elektryczne i elektroniczne

- Precyzyjne rezystory i kondensatory.

- Wzmacniacze operacyjne.

- Mnożniki.

- Potencjometry.

- Naprawiono generatory funkcji.

Zgodnie z naturą operacji matematycznych

Liniowy

Komponenty liniowe wykonują operacje dodawania, całkowania, zmiany znaku, mnożenia przez stałą i inne.

Nieliniowe

Generatory funkcji odtwarzają zależności nieliniowe. Istnieją komponenty komputerowe zaprojektowane do odtwarzania przypisanej funkcji z jednego, dwóch lub więcej argumentów.

W tej klasie powszechne jest rozróżnianie między urządzeniami, które odtwarzają jednoargumentowe funkcje nieciągłe, a urządzeniami mnożnikowymi dzielącymi.

Logiczny

Wśród elementów logicznych znajdują się analogowe urządzenia logiczne, zaprojektowane do oddzielania większej lub mniejszej ilości między różnymi wielkościami, dyskretne urządzenia logiczne, przekaźnikowe obwody przełączające i niektóre inne specjalne jednostki.

Wszystkie urządzenia logiczne są zwykle łączone w jedno, zwane równoległym urządzeniem logicznym. Wyposażony jest we własny panel krosowy do łączenia poszczególnych urządzeń logicznych między sobą oraz z innymi analogowymi komponentami komputera.

Rodzaje

Komputery mechaniczne

Są zbudowane z elementów mechanicznych, takich jak dźwignie i przekładnie, a nie z elementów elektronicznych.

Najczęstszymi przykładami są maszyny dodające i liczniki mechaniczne, które wykorzystują obracanie kół zębatych do wykonywania dodawania lub liczenia. Bardziej złożone przykłady mogą obejmować mnożenie i dzielenie, a nawet analizę różnicową.

Najbardziej praktyczne komputery mechaniczne wykorzystują obrotowe osie do przenoszenia zmiennych z jednego mechanizmu do drugiego.

W syntezatorze Fouriera, który był maszyną do przewidywania pływów, zastosowano kable i koła pasowe, które dodawały składowe harmoniczne.

Należy wspomnieć o mechanicznych przyrządach lotu we wczesnych statkach kosmicznych, które pokazywały obliczony wynik nie w postaci cyfr, ale poprzez przemieszczenia powierzchni wskaźników.

Załogowe statki radzieckie były wyposażone w instrument zwany Globus. Pokazało to symboliczny ruch Ziemi poprzez przemieszczenie miniaturowego globu ziemskiego, oprócz wskaźników szerokości i długości geograficznej.

Komputery elektryczne

Są bardziej powszechne, ponieważ mają znacznie szersze pasmo przenoszenia i są wygodne do łączenia z innymi komputerami i elementami sterującymi urządzenia.

Wykorzystują sygnały elektryczne, które przepływają przez różne rezystory i kondensatory, aby symulować zjawiska fizyczne, a nie mechaniczną interakcję komponentów.

Konstrukcja elementów analogowych komputera oparta jest na wzmacniaczach elektronicznych prądu stałego. Mają duże wzmocnienie w trybie obwodu otwartego.

W zależności od struktury obwodów wejściowych i sprzężenia zwrotnego, wzmacniacz operacyjny wykonuje liniową lub nieliniową operację matematyczną. Również połączenie tych operacji.

Ten typ komputera analogowego był szeroko stosowany w technologii obliczeniowej i wojskowej w połowie XX wieku, np. W testach samolotów i pocisków rakietowych.

Różnice w stosunku do technologii cyfrowej

Transmisja sygnału

Sygnały cyfrowe mają dwa dyskretne stany, wyłączone lub włączone. Stan wyłączenia wynosi zero woltów, a stan włączenia wynosi pięć woltów. Dlatego komputery cyfrowe używają danych liczb binarnych w postaci 0 i 1.

Sygnały analogowe są ciągłe. Mogą znajdować się w dowolnym miejscu między dwoma skrajnymi, takimi jak -15 i +15 woltów. Napięcie sygnału analogowego może być stałe lub zmieniać się w czasie.

Oznacza to, że w komputerach analogowych dane są przesyłane w postaci sygnałów ciągłych. W komputerach cyfrowych są przesyłane w postaci sygnałów dyskretnych.

Typy obwodów

Analogowe obwody komputerowe wykorzystują wzmacniacze operacyjne, generatory sygnału, sieci rezystorowe i kondensatory. Obwody te przetwarzają ciągłe sygnały napięciowe.

Komputery cyfrowe używają różnych obwodów włączających / wyłączających, takich jak mikroprocesory, generatory zegarów i bramki logiczne.

Oznacza to, że komputer cyfrowy wykorzystuje obwody elektroniczne, podczas gdy komputer analogowy wykorzystuje rezystory do ciągłego przepływu sygnału.

Precyzja

Komputery analogowe muszą radzić sobie z pewnym poziomem szumów elektrycznych w obwodach, wpływając na ich dokładność. Obwody komputera cyfrowego mają również szum elektryczny, chociaż nie ma to wpływu na dokładność ani niezawodność.

Z drugiej strony komputer analogowy nie może generować powtarzających się wyników z dokładnym dopasowaniem. Oznacza to, że komputery analogowe są mniej dokładne w porównaniu z komputerami cyfrowymi.

Programowanie

Można zaprogramować zarówno komputery analogowe, jak i cyfrowe, chociaż metody są różne.

Komputery cyfrowe używają złożonych sekwencji instrukcji, takich jak porównywanie lub mnożenie dwóch liczb lub przenoszenie danych z jednego miejsca do drugiego.

Aby zaprogramować komputer analogowy, różne podsystemy są ze sobą elektrycznie połączone kablami. Na przykład generator sygnału jest podłączony do pokrętła sterującego, aby zmieniać intensywność sygnału.

Przykłady

Zegar zamkowy

Ten słynny komputer był w stanie przechowywać instrukcje programowania. Wysokie na ponad trzy metry urządzenie wyświetlało czas, zodiak, a także orbity słońca i księżyca.

Część obliczeniowa urządzenia pozwoliła więc użytkownikom na ustawienie zmiennej długości dnia w zależności od pory roku. Opisany w 1206 roku komputer był bardzo złożony jak na swoje czasy.

Suwak reguły

Jednym z najprostszych i najbardziej rozpoznawalnych mechanicznych komputerów analogowych jest suwak logarytmiczny. Jest to urządzenie do przybliżania podstawowych obliczeń matematycznych.

Użytkownicy przesuwają oznaczony pręt, aby wyrównać go z różnymi znakami na innym pręcie, odczytując w ten sposób urządzenie na podstawie wyrównania tych różnych znaków.

Analizator różnicowy

Ten mechaniczny komputer analogowy był w stanie rozwiązywać równania różniczkowe. Analizator różnicowy, którego konstrukcja sięgała początku XIX wieku, została udoskonalona w latach trzydziestych XX wieku i była używana do połowy XX wieku.

Uważany jest za pierwszy nowoczesny komputer. Ważył 100 ton i zawierał 150 silników oraz setki kilometrów kabli łączących przekaźniki i rury próżniowe.

Według dzisiejszych standardów maszyna była powolna. W rzeczywistości był tylko około sto razy szybszy niż operator korzystający z kalkulatora na pulpicie.

Inne przykłady

- Predictor Kerrison.

- Libraskop, komputer do wyważania i ważenia samolotu.

- Integratory mechaniczne, takie jak planimetr.

- Nomogram.

- Wizjer bombardowania Norden.

- Komputery związane z kierowaniem ogniem.

- Integratory wody.

- MONIAC, modelowanie ekonomiczne.

Rada Symulacji była stowarzyszeniem użytkowników komputerów analogowych w Stanach Zjednoczonych.

Biuletyny Simulation Council od 1952 do 1963 są obecnie dostępne online. Pokazują ówczesne technologie, a także powszechne wykorzystanie komputerów analogowych.

Bibliografia

1. Wikipedia, wolna encyklopedia (2019). Komputer analogowy. Zaczerpnięte z: en.wikipedia.org.
2. Techopedia (2019). Komputer analogowy. Zaczerpnięte z: sufitpedia.com.
3. Dinesh Thakur (2019). Co to jest komputer analogowy? - Definicja. Uwagi do komputera. Zaczerpnięte z: ecomputernotes.com.
4. Encyclopaedia Britannica (2019). Komputer analogowy. Zaczerpnięte z: britannica.com.
5. John Papiewski (2019). 10 Różnic między komputerami analogowymi i cyfrowymi. Zaczerpnięte z: techwalla.com.
6. Bezpłatny słownik (2019). Komputer analogowy. Zaczerpnięte z: encyclopedia2.thefreedictionary.com.
7. Encyklopedia (2002). Komputer, analogowy. Zaczerpnięte z: encyclopedia.com.