ANALOGNI RAČUNALNIKI: ZNAČILNOSTI, KOMPONENTE, TIPI - TEHNOLOGIJA - 2025

V analogni računalniki so vrsta računalnika, da uporaba nenehno spreminjajočem vidike fizikalnih pojavov, kot so električnih veličin, mehanskih in hidravličnih, model je problem, ki ga rešujemo.

To je računalnik, ki deluje s številkami, ki jih predstavljajo neposredno merljive neprekinjene vrednosti, kot so tlak, temperatura, napetost, hitrost in teža. Nasprotno pa digitalni računalniki te vrednosti predstavljajo simbolično.

Vir: X-15_Analog_computer Po načinu izdelave - https://www.youtube.com/watch?v=PW1NAcZLDgs, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52164169

Analogni računalniki so lahko zelo zapleteni. Najenostavnejša so pravila diapozitivov in nomogrami, medtem ko so računalniki, ki nadzorujejo mornarske puške in velike hibridne digitalne / analogne računalnike, med najbolj zapletenimi. Takrat so bili prvi razviti računalniški stroji.

Sistemi krmiljenja procesov in zaščitni releji uporabljajo analogno računalništvo za izvajanje nadzornih in zaščitnih funkcij.

V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je bil glavni proizvajalec ameriško podjetje Electronic Associates z analognim računalnikom 231R, z vakuumskimi cevmi in 20 integratorji. Kasneje, s svojim 8800 analognim računalnikom, s polprevodniškimi ojačevalniki in 64 integratorji.

Zamenjava digitalnih računalnikov

V 60. in 70. letih so digitalni računalniki, ki so temeljili najprej na vakuumskih ceveh, kasneje pa na tranzistorjih, integriranih vezjih in mikroprocesorjih, postali bolj ekonomični in natančni.

To je privedlo do tega, da so digitalni računalniki v veliki meri nadomestili analogne računalnike. Vendar so analogne računalnike še naprej uporabljali v znanstvenih in industrijskih aplikacijah, saj so bili takrat običajno veliko hitrejši.

Na primer, še naprej so jih uporabljali v nekaterih specifičnih aplikacijah, kot je leteči računalnik v letalih.

Kompleksnejše aplikacije, kot je radar s sintetično zaslonko, so v 80. letih še vedno prevladovale analogno računalništvo, saj digitalni računalniki niso bili dovolj za nalogo.

Raziskave na analognem računalništvu še vedno potekajo. Nekatere univerze še vedno uporabljajo analogne računalnike za poučevanje teorije krmilnih sistemov.

značilnosti

Analogna obdelava podatkov

Analogni računalnik se uporablja za obdelavo analognih podatkov, kot so napetost, temperatura, tlak, hitrost itd. Nenehno hrani te podatke fizičnih količin in s pomočjo teh meritev izvaja izračune.

Precej se razlikuje od digitalnega računalnika, ki za prikaz rezultatov uporablja simbolične številke.

Analogni računalniki so odlični za primere, ki zahtevajo neposredno merjenje podatkov, ne da bi jih pretvorili v številke ali kode.

Uporaba analognih signalov

Analogni računalnik uporablja analogni signal, ki je lahko predstavljen kot zvezni ali sinusni val, ki vsebuje vrednosti, ki se s časom spreminjajo.

Analogni signal se lahko razlikuje po amplitudi ali frekvenci. Vrednost amplitude je intenzivnost signala, povezana z njegovo najvišjo točko, imenovano greben in najnižjo točko. Po drugi strani je vrednost frekvence njena fizična dolžina od leve proti desni.

Primera analognih signalov sta zvok ali človeški govor prek elektrificirane bakrene žice.

Analogni računalniki ne potrebujejo prostora za shranjevanje, saj v enem samem posegu merijo in primerjajo količine.

Omejena natančnost

Analogni prikazi imajo omejeno natančnost, običajno na nekaj decimalnih mest.

Natančnost analognega računalnika je omejena zaradi njegovih računalniških elementov, pa tudi kakovosti notranjega napajanja in električnih povezav.

Omejena je predvsem z natančnostjo uporabljene bralne opreme, kar je običajno tri ali štiri decimalna mesta.

Programiranje

Programiranje v analognem računalniku vključuje pretvorbo enačb problema v analogno računalniško vezje.

Za kaj so analogni računalniki?

Uporabljajo se za predstavljanje podatkov z merljivimi količinami, kot so napetosti ali vrtenje zobnikov, da bi rešili težavo, namesto da bi podatke izrazili kot številke.

Spremljanje in nadzor

Pri nadzornih in kontrolnih sistemih se uporabljajo za določanje kontrolne formule in za izračun parametrov procesa, kot so učinkovitost, moč, zmogljivost in drugi.

Če lahko dodelite matematični izraz, ki določa povezavo parametra s koordinatami predmeta, lahko analogni računalnik reši ustrezno enačbo.

Na primer, analogni računalniki se pogosto uporabljajo za oceno ekonomske učinkovitosti elektroenergetskih sistemov in lahko služijo kot avtomatski regulatorji.

Pogosto se uporabljajo za nadzor procesov, kot so tisti v rafinerijah nafte, kjer sta pomembna neprekinjena meritev pretoka in temperature.

Napredna analiza

Z večkratnim reševanjem sistema enačb, ki opisuje nadzorovan postopek, lahko analogni računalnik v kratkem času skenira veliko število nadomestnih rešitev. V ta namen uporablja različne vrednosti v parametrih, ki se med postopkom spreminjajo.

Potrebno kakovost lahko zagotovite s pomočjo kontrolnih signalov, ki jih napoveduje analogni računalnik.

Vrednosti, ki jih določi računalnik, se prenesejo na regulacijsko napravo, ki prilagodi kontrolne točke.

Določanje motečih ali uporabnih signalov

Velikost motečega ali uporabnega signala se določi z uporabo diferencialnih enačb, ki opisujejo dinamični sistem, vrednosti začetnih pogojev, poleg sprememb, določenih v statistiki, ki merijo hrup in signal.

Analogni računalnik je mogoče uporabiti tudi za izdelavo instrumentov, ki samodejno beležijo motnje in proizvajajo krmilni signal, kar bo odvisno od značaja in količine motenj.

Simulacija dinamičnih sistemov

Simulacije lahko izvajamo v realnem času ali pri zelo visokih hitrostih, kar omogoča eksperimentiranje s ponavljajočimi se vožnjami s spremenjenimi spremenljivkami.

Veliko se uporabljajo v simulacijah letal, jedrskih elektrarn in tudi v industrijskih kemičnih procesih.

Komponente

Operacijski ojačevalnik

Večina električnih analognih računalnikov deluje z manipulacijo napetosti ali potencialnih razlik. Njegova osnovna komponenta je operativni ojačevalnik, ki je naprava, katere izhodni tok je sorazmeren z razliko vhodnega potenciala.

S tem, ko ta izhodni tok teče skozi ustrezne komponente, dobimo več potencialnih razlik in izvedemo lahko številne matematične operacije, vključno z seštevanjem, odštevanjem, inverzijo in integracijo.

Električni analogni računalnik je sestavljen iz mnogih vrst ojačevalnikov. Te se lahko povežejo, da ustvarijo matematični izraz velike zapletenosti in z množico spremenljivk.

Hidravlične komponente

Ključne hidravlične komponente lahko vključujejo cevi, ventile in posode.

Mehanske komponente

Na voljo so vrtljive gredi za prenos podatkov znotraj računalnika, diferencialne prestave, disk, kroglični ali valjčni integratorji, 2-D in 3-D odmiki, mehanski ločilniki in multiplikatorji ter servo-navori.

Električne in elektronske komponente

- Natančni upori in kondenzatorji.

- Operativni ojačevalniki.

- Množitelji.

- Potenciometri.

- generatorji s fiksnimi funkcijami

Glede na naravo matematičnih operacij

Linearno

Linearne komponente izvajajo operacije seštevanja, integracije, spremembe znakov, množenja s konstanto in druge.

Nelinearno

Funkcijski generatorji reproducirajo nelinearna razmerja. Obstajajo računalniške komponente, zasnovane za reprodukcijo dodeljene funkcije iz enega, dveh ali več argumentov.

V tem razredu je običajno razlikovati med napravami, ki reproducirajo neprekinjene funkcije z enim argumentom, in delilnimi napravami množitelja.

Logično

Med logične komponente sodijo analogne logične naprave, ki so zasnovane za ločevanje večje ali manjše količine med več količinami, diskretne logične naprave, relejna stikala in nekatere druge posebne enote.

Vse logične naprave so na splošno združene v eno, ki se imenuje vzporedna logična naprava. Opremljen je z lastno ploščo za popravke, s katero lahko posamezne logične naprave povežemo med seboj in z drugimi analognimi komponentami računalnika.

Vrste

Mehanski računalniki

Zgrajene so iz mehanskih komponent, kot so ročice in zobniki, ne pa iz elektronskih komponent.

Najpogostejši primeri so dodajanje strojev in mehanskih števcev, ki uporabljajo vrtenje zobnikov za izvajanje dodatkov ali odštevanja. Zapletenejši primeri bi lahko izvedli množenje in delitev ter celo diferencialno analizo.

Najbolj praktični mehanski računalniki uporabljajo vrtljive osi za prevoz spremenljivk iz enega mehanizma v drugega.

V sintetizatorju Fourier, ki je bil stroj za napovedovanje plimovanja, so bili uporabljeni kabli in škripci, ki so dodali harmonske komponente.

Pomembno je omeniti mehanske letalske instrumente v zgodnjem vesoljskem plovilu, ki so izračunani rezultat pokazali ne v obliki števk, temveč s premiki kazalnih površin.

Sovjetska vesoljska plovila s posadko so bila opremljena z instrumentom, imenovanim Globus. To je pokazalo figurativno gibanje Zemlje skozi premik miniaturnega zemeljskega globusa poleg kazalnikov zemljepisne širine in dolžine.

Električni računalniki

Pogostejše so, ker imajo bistveno širši pasovni pas in so priročne za povezavo z drugimi računalniki in za krmilne elemente naprave.

Uporabljajo električne signale, ki tečejo skozi različne upore in kondenzatorje, da simulirajo fizične pojave, ne pa mehanskih interakcij komponent.

Zasnova analognih elementov računalnika temelji na elektronskih ojačevalnikih z enosmernim tokom. V načinu odprtega kroga imajo velike ojačitve.

Glede na strukturo vhodnih in povratnih vezij, napajalnik izvaja linearno ali nelinearno matematično operacijo. Tudi kombinacija teh operacij.

Ta vrsta analognega računalnika se je sredi 20. stoletja široko uporabljala v računalništvu in vojaški tehnologiji, na primer pri preizkusih letal in raket.

Razlike z digitalnim

Prenos signala

Digitalni signali imajo dve ločeni stanji, izklopljeni ali vklopljeni. Izklopljeno stanje je nič voltov, stanje vklopa pa pet voltov. Zato digitalni računalniki uporabljajo podatke o binarnih številkah v obliki 0 in 1.

Analogni signali so neprekinjeni. Lahko so kjer koli med dvema skrajnostma, na primer -15 in +15 voltov. Napetost analognega signala je lahko konstantna ali se spreminja skozi čas.

To pomeni, da se v analognih računalnikih podatki prenašajo v obliki neprekinjenih signalov. V digitalnih računalnikih se prenašajo v obliki diskretnih signalov.

Vrste vezja

Analogna računalniška vezja uporabljajo operacijske ojačevalnike, generatorje signalov, uporovna omrežja in kondenzatorje. Ta vezja obdelujejo neprekinjene napetostne signale.

Digitalni računalniki uporabljajo različna vezja za vklop / izklop, kot so mikroprocesorji, generatorji ur in logična vrata.

To pomeni, da digitalni računalnik uporablja elektronska vezja, analogni računalnik pa upore za neprekinjen tok signala.

Natančnost

Analogni računalniki morajo obravnavati določeno raven električnega hrupa v tokokrogih, kar vpliva na njihovo natančnost. Vezja digitalnega računalnika imajo tudi električni hrup, čeprav to ne vpliva na natančnost ali zanesljivost.

Po drugi strani analogni računalnik ne more ustvariti ponovljivih rezultatov z natančnim ujemanjem. To pomeni, da so analogni računalniki manj natančni v primerjavi z digitalnimi računalniki.

Programiranje

Tako analogne kot digitalne računalnike je mogoče programirati, čeprav so metode različne.

Digitalni računalniki uporabljajo zapletena zaporedja navodil, na primer primerjavo ali množenje dveh števil ali premikanje podatkov iz enega kraja v drugega.

Za programiranje analognega računalnika so različni podsistemi električno povezani med seboj s kabli. Na primer, generator signala je priključen na krmilni gumb, da spremenite intenzivnost signala.

Primeri

Grajska ura

Ta znani računalnik je bil sposoben shranjevati navodila za programiranje. Naprava je stala več kot tri metre visoko, prikazovala je čas, zodiak in tudi orbite sonca in lune.

Računalniški del naprave je tako uporabnikom omogočil, da so določili spremenljivo dolžino dneva, odvisno od letnega časa. Opisan leta 1206, je bil ta računalnik za svoj čas zelo zapleten.

Pravilo diapozitiva

Eno najpreprostejših in najbolj prepoznavnih mehanskih analognih računalnikov je drsno pravilo. To je naprava za približevanje osnovnih matematičnih izračunov.

Uporabniki potisnejo označeno palico, da jo poravnajo z različnimi oznakami na drugi palici in tako napravo preberejo na podlagi poravnave teh različnih znamk.

Diferencialni analizator

Ta mehanski analogni računalnik je bil sposoben reševati diferencialne enačbe. Diferenčni analizator je bil v tridesetih letih 20. stoletja izpopolnjen v tridesetih letih prejšnjega stoletja in je bil uporabljen do sredine 20. stoletja.

Velja za prvi sodobni računalnik. Tehtal je 100 ton in je vseboval 150 motorjev, plus stotine kilometrov kablov, ki povezujejo releje in vakuumske cevi.

Po današnjih standardih je bil stroj počasen. Pravzaprav je bil s pomočjo namiznega kalkulatorja le stokrat hitrejši od človeškega operaterja.

Drugi primeri

- Napovednik Kerrison.

- računalnik z libraskopom, tehtnico in tehtanjem zrakoplova.

- Mehanski integratorji, kot je planimeter.

- Nomogram.

- vizir za obstreljevanje Norden.

- Računalniki, povezani z nadzorom požara.

- Vodni integratorji.

- MONIAC, ekonomsko modeliranje.

Simulacijski svet je bil združenje analognih uporabnikov računalnikov v Združenih državah Amerike.

Glasila Simulacijskega sveta od leta 1952 do 1963 so trenutno na voljo na spletu. Prikazujejo takratne tehnologije in tudi običajno uporabo analognih računalnikov.

Reference

1. Wikipedija, brezplačna enciklopedija (2019). Analogni računalnik. Izvedeno iz: en.wikipedia.org.
2. Tehopedija (2019). Analogni računalnik. Vzeto iz: zgornja meja.
3. Dinesh Thakur (2019). Kaj je analogni računalnik? - Opredelitev. Opombe o elektronskem računalniku. Vzeto iz: ecomputernotes.com.
4. Enciklopedija Britannica (2019). Analogni računalnik. Vzeto iz: britannica.com.
5. John Papiewski (2019). 10 razlik med analognimi in digitalnimi računalniki. Vzeto iz: techwalla.com.
6. Prosti slovar (2019). Analogni računalnik. Izvedeno iz: encyclopedia2.thefreedictionary.com.
7. Enciklopedija (2002). Računalnik, analogni. Izvedeno iz: encyclopedia.com.