ANALOGOVÉ POČÍTAČE: VLASTNOSTI, KOMPONENTY, TYPY - TECHNOLOGIE - 2025

Tyto analogové počítače jsou typ počítače, který používá neustále se měnícím aspekty fyzikálních jevů, jako je například elektrických veličin, mechanické nebo hydraulické, modelovat problém řeší.

To znamená, že jsou to počítače, které pracují s čísly představovanými přímo měřitelnými spojitými hodnotami, jako je tlak, teplota, napětí, rychlost a hmotnost. Naproti tomu digitální počítače představují tyto hodnoty symbolicky.

Zdroj: X-15_Analog_computer Podle toho, jak se to dělá - https://www.youtube.com/watch?v=PW1NAcZLDgs, Public Domain, Analogové počítače mohou mít velmi širokou škálu složitosti. Nejjednodušší jsou posuvná pravidla a nomogramy, zatímco počítače, které ovládají námořní zbraně a velké hybridní digitální / analogové počítače, patří mezi nejsložitější. V té době se jednalo o první vyvinuté počítačové stroje.

Řídicí systémy procesů a ochranná relé používají k provádění řídicích a ochranných funkcí analogové počítače.

V 60. letech byl hlavním výrobcem americká společnost Electronic Associates s analogovým počítačem 231R, s vakuovými trubicemi a 20 integrátory. Později se svým analogovým počítačem 8800, s operačními zesilovači v pevné fázi a 64 integrátory.

Nahrazení digitálními počítači

V 60. a 70. letech se digitální počítače, založené nejprve na vakuových zkumavkách a později na tranzistorech, integrovaných obvodech a mikroprocesorech, staly ekonomičtějšími a přesnějšími.

To vedlo k tomu, že digitální počítače převážně nahrazovaly analogové počítače. Analogové počítače se však nadále používaly ve vědeckých a průmyslových aplikacích, protože v té době byly běžně mnohem rychlejší.

Například, oni pokračovali být použit v některých specifických aplikacích, takový jako letový počítač v letadlech.

Složitější aplikace, jako je radar se syntetickou aperturou, zůstaly do 80. let 20. století dobře ovládány analogovým výpočtem, protože digitální počítače pro tento úkol nestačily.

Výzkum analogových počítačů stále pokračuje. Některé univerzity stále používají analogové počítače k ​​výuce teorie řídicích systémů.

vlastnosti

Analogové zpracování dat

Analogový počítač se používá ke zpracování analogových dat, jako je napětí, teplota, tlak, rychlost atd. Tato data nepřetržitě ukládá tato data fyzikálních veličin a pomocí těchto měření provádí výpočty.

To je docela odlišné od digitálního počítače, který používá symbolická čísla reprezentovat výsledky.

Analogové počítače jsou skvělé pro situace, které vyžadují přímá měření dat, aniž by byly převedeny na čísla nebo kódy.

Použití analogových signálů

Analogový počítač používá analogový signál, který může být reprezentován jako souvislá nebo sinusová vlna, která obsahuje hodnoty, které se v průběhu času mění.

Analogový signál se může lišit amplitudou nebo frekvencí. Hodnota amplitudy je intenzita signálu vztažená k jeho nejvyššímu bodu, nazývanému hřeben, a jeho nejnižším bodům. Na druhé straně, hodnota frekvence je její fyzická délka zleva doprava.

Příklady analogových signálů jsou zvuk nebo lidská řeč prostřednictvím elektrifikovaného měděného drátu.

Analogové počítače nevyžadují žádnou paměťovou kapacitu, protože v jediné operaci měří a porovnávají množství.

Omezená přesnost

Analogové reprezentace mají omezenou přesnost, obvykle na několik desetinných míst.

Přesnost analogového počítače je omezena jeho výpočetními prvky, jakož i kvalitou vnitřního napájení a elektrických propojení.

Je to hlavně omezeno přesností použitého čtecího zařízení, které je obvykle tři nebo čtyři desetinná místa.

Programování

Programování v analogovém počítači zahrnuje transformaci rovnic problému do analogového počítačového obvodu.

K čemu jsou analogové počítače?

Používají se k reprezentaci dat měřitelnými veličinami, jako je napětí nebo rotace ozubeného kola, za účelem vyřešení problému, namísto vyjádření dat jako čísel.

Monitorování a kontrola

V monitorovacích a řídicích systémech se používají k určení vzorců řízení ak výpočtu parametrů procesu, jako je účinnost, výkon, výkon a další.

Pokud můžete přiřadit matematický výraz, který definuje přiřazení parametru k souřadnicím objektu, analogový počítač může vyřešit odpovídající rovnici.

Například analogové počítače se široce používají k hodnocení ekonomické účinnosti energetických systémů a mohou sloužit jako automatické regulátory.

Často se používají k řízení procesů, jako jsou procesy v ropných rafinériích, kde je důležité kontinuální měření průtoku a teploty.

Pokročilá analýza

Opakovaným řešením soustavy rovnic, která popisuje řízený proces, může analogový počítač skenovat velké množství alternativních řešení v krátkém čase. K tomu používá různé hodnoty v parametrech, které se během procesu změní.

Požadovanou kvalitu lze zaručit pomocí řídicích signálů vyhlášených analogovým počítačem.

Hodnoty určené počítačem jsou přeneseny do regulačního zařízení, které nastavuje kontrolní body.

Stanovení rušivých nebo užitečných signálů

Velikost rušivého nebo užitečného signálu se stanoví pomocí diferenciálních rovnic, které popisují dynamický systém, hodnoty počátečních podmínek, kromě změn stanovených ve statistikách, které měří šum a signál.

Analogový počítač lze také použít k vytváření nástrojů, které automaticky zaznamenávají poruchy a vydávají řídicí signál, který bude záviset na charakteru a množství poruch.

Simulace dynamických systémů

Simulace mohou být prováděny v reálném čase nebo při velmi vysokých rychlostech, což umožňuje experimentovat s opakovanými běhy se změněnými proměnnými.

Byly široce používány v leteckých simulacích, jaderných elektrárnách a také v průmyslových chemických procesech.

Komponenty

Operační zesilovač

Většina elektrických analogových počítačů pracuje manipulací s napětím nebo potenciálními rozdíly. Jeho základní součástí je operační zesilovač, což je zařízení, jehož výstupní proud je úměrný rozdílu jeho vstupního potenciálu.

Tím, že tento výstupní proud protéká vhodnými komponentami, se získá více potenciálních rozdílů a lze provést celou řadu matematických operací, včetně sčítání, odčítání, inverze a integrace.

Elektrický analogový počítač se skládá z mnoha typů zesilovačů. Ty mohou být spojeny, aby vytvořily matematický výraz velké složitosti as velkým množstvím proměnných.

Hydraulické komponenty

Klíčové hydraulické komponenty mohou zahrnovat potrubí, ventily a kontejnery.

Mechanické komponenty

Mohou existovat rotační hřídele pro přenos dat v počítači, diferenciální soukolí, diskové, kulové nebo válečkové integrátory, 2-D a 3-D vačky, mechanické rozdělovače a multiplikátory a servo-točivé momenty.

Elektrické a elektronické komponenty

- Přesné rezistory a kondenzátory.

- Operační zesilovače.

- Násobiče.

- Potenciometry.

- Generátory s pevnou funkcí.

Podle povahy matematických operací

Lineární

Lineární komponenty provádějí operace sčítání, integrace, změn znaménků, násobení konstantou a dalších.

Nelineární

Generátory funkcí reprodukují nelineární vztahy. Existují počítačové komponenty určené k reprodukci přiřazené funkce z jednoho, dvou nebo více argumentů.

V této třídě je běžné rozlišovat mezi zařízeními, která reprodukují nesouvislé funkce s jedním argumentem, a zařízeními s dělitelem dělení.

Logický

Mezi logické komponenty patří analogová logická zařízení určená k oddělení většího nebo menšího množství mezi různými veličinami, diskrétní logická zařízení, reléové spínací obvody a některé další speciální jednotky.

Všechna logická zařízení jsou obecně kombinována do jednoho, nazývaného paralelní logické zařízení. Je vybaven vlastním propojovacím panelem pro propojení jednotlivých logických zařízení navzájem a s ostatními analogovými komponentami počítače.

Typy

Mechanické počítače

Jsou vyrobeny spíše z mechanických součástí, jako jsou páky a převody, než z elektronických součástí.

Nejběžnějšími příklady jsou sčítání strojů a mechanických čítačů, které používají otáčení ozubených kol k provádění sčítání nebo počítání. Složitější příklady by mohly provádět multiplikaci a dělení a dokonce diferenciální analýzu.

Nejpraktičtější mechanické počítače používají rotující osy k přenosu proměnných z jednoho mechanismu na druhý.

V Fourierově syntetizátoru, který byl strojem pro předpovídání přílivu, byly použity kabely a kladky, které přidaly harmonické složky.

Je důležité zmínit mechanické letové přístroje v rané kosmické lodi, které ukázaly vypočítaný výsledek nikoli ve formě číslic, ale prostřednictvím posunutí indikačních ploch.

Sovětská kosmická loď s posádkou byla vybavena nástrojem zvaným Globus. Toto ukazovalo figurativní pohyb Země přesídlením miniaturní pozemské zeměkoule, kromě ukazatelů zeměpisné šířky a délky.

Elektrické počítače

Jsou běžnější, protože mají podstatně širší pasové pásmo a jsou vhodné pro připojení k jiným počítačům ak ovládacím prvkům zařízení.

Používají elektrické signály, které protékají různými odpory a kondenzátory, aby simulovaly fyzikální jevy, spíše než mechanickou interakci komponent.

Konstrukce analogových prvků počítače je založena na stejnosměrných elektronických zesilovačích. V režimu s otevřeným okruhem mají vysoký zisk.

V závislosti na struktuře vstupních a zpětnovazebních obvodů provádí operační zesilovač buď lineární, nebo nelineární matematickou operaci. Také kombinace těchto operací.

Tento typ analogového počítače byl široce používán ve výpočetní a vojenské technice v polovině 20. století, například při zkouškách letadel a raket.

Rozdíly s digitálním

Přenos signálu

Digitální signály mají dva diskrétní stavy, vypnuté nebo zapnuté. Vypnutý stav je nulový volt a zapnutý stav je pět voltů. Z tohoto důvodu digitální počítače používají data binárních čísel ve formě 0 a 1.

Analogové signály jsou nepřetržité. Mohou být kdekoli mezi dvěma extrémy, například -15 a +15 voltů. Napětí analogového signálu může být v průběhu času konstantní nebo se může měnit.

To znamená, že v analogových počítačích jsou data přenášena ve formě spojitých signálů. V digitálních počítačích jsou přenášeny ve formě diskrétních signálů.

Typy obvodů

Analogové počítačové obvody používají operační zesilovače, generátory signálu, odporové sítě a kondenzátory. Tyto obvody zpracovávají signály nepřetržitého napětí.

Digitální počítače používají různé obvody zapnutí / vypnutí, jako jsou mikroprocesory, generátory hodin a logické brány.

To znamená, že digitální počítač používá elektronické obvody, zatímco analogový počítač používá rezistory pro nepřetržitý tok signálu.

Přesnost

Analogové počítače musí řešit určitou úroveň elektrického šumu v obvodech, což ovlivňuje jejich přesnost. Obvody digitálního počítače mají také elektrický šum, ačkoli to nemá žádný vliv na přesnost nebo spolehlivost.

Na druhé straně analogový počítač nemůže produkovat opakující se výsledky s přesnou shodou. To znamená, že analogové počítače jsou ve srovnání s digitálními počítači méně přesné.

Programování

Analogové i digitální počítače lze naprogramovat, i když metody jsou odlišné.

Digitální počítače používají složité posloupnosti instrukcí, jako je porovnání nebo násobení dvou čísel nebo přesouvání dat z jednoho místa na druhé.

Při programování analogového počítače jsou elektricky propojeny různé subsystémy pomocí kabelů. Například je generátor signálu připojen k ovládacímu knoflíku, aby se změnila intenzita signálu.

Příklady

Hradní hodiny

Tento slavný počítač dokázal uložit programovací instrukce. Stojící nad tři metry vysoko, zobrazoval čas, zvěrokruh a také oběžné dráhy Slunce a Měsíce.

Výpočtová část zařízení tak umožnila uživatelům nastavit proměnnou délku dne v závislosti na ročním období. Tento počítač, popsaný v roce 1206, byl ve své době velmi složitý.

Posuvné pravidlo

Jedním z nejjednodušších a nejznámějších mechanických analogových počítačů je posuvné pravidlo. Toto je zařízení, které přibližuje základní matematické výpočty.

Uživatelé posouvají označenou tyč tak, aby byla zarovnána s různými značkami na jiné tyči, a tak čtou zařízení na základě jejich zarovnání.

Diferenční analyzátor

Tento mechanický analogový počítač byl schopen řešit diferenciální rovnice. S designem tak starým jako na počátku 18. století byl diferenciální analyzátor zdokonalen ve 30. letech 20. století a používán až do poloviny 20. století.

Je považován za první moderní počítač. Vážil 100 tun a obsahoval 150 motorů, plus stovky kilometrů kabelů propojujících relé a vakuové trubice.

Podle dnešních standardů byl stroj pomalý. Ve skutečnosti to bylo jen asi stokrát rychlejší než lidský operátor používající stolní kalkulačku.

Další příklady

- Prediktor Kerrison.

- Libroskop, počítač váhy a váhy letadla.

- Mechanické integrátory, jako je planimetr.

- Nomogram.

- Norden bombardovací hledí.

- Počítače související s řízením palby.

- Vodní integrátoři.

- MONIAC, ekonomické modelování.

Simulační rada byla asociací uživatelů analogových počítačů ve Spojených státech.

Informační bulletiny Simulační rady z let 1952 až 1963 jsou v současné době k dispozici online. Ukazují tehdejší technologie a také běžné použití analogových počítačů.

Reference

1. Wikipedia, encyklopedie zdarma (2019). Analogový počítač. Převzato z: en.wikipedia.org.
2. Techopedia (2019). Analogový počítač. Převzato z: stroppedia.com.
3. Dinesh Thakur (2019). Co je analogový počítač? - Definice. Poznámky k počítači. Převzato z: ecomputernotes.com.
4. Encyklopedie Britannica (2019). Analogový počítač. Převzato z: britannica.com.
5. John Papiewski (2019). 10 Rozdíly mezi analogovými a digitálními počítači. Převzato z: techwalla.com.
6. Svobodný slovník (2019). Analogový počítač. Převzato z: encyclopedia2.thefreedictionary.com.
7. Encyklopedie (2002). Počítači, analogové. Převzato z: encyclopedia.com.