Analoger Computer

Eine Seite aus der Informationsdatei von Bombardier (BIF), das die Komponenten und Steuerelemente der beschreibt Norden Bombight. Der Norden Bombsight war ein hoch entwickelter optischer/mechanischer analoge Computer, der von der US -Luftwaffe der United States Army verwendet wurde Zweiter Weltkrieg, das Koreanischer Krieg, und die Vietnamkrieg dem Piloten von a zu helfen Bomber Flugzeug beim Abfallen Bomben genau.
TR-10 Desktop Analog Computer der späten 1960er und frühen 70er Jahre

Ein Analoger Computer oder Analog Computer ist eine Art von Art von Computer das verwendet den Aspekt der kontinuierlichen Variation von physikalischen Phänomenen wie z. elektrisch, mechanisch, oder hydraulisch Mengen (Analoge Signale) zu Modell das Problem gelöst. Im Gegensatz, Digitale Computer darstellen variierende Mengen symbolisch und durch diskrete Werte sowohl Zeit als auch Amplitude (Digitale Signale).

Analoge Computer können eine sehr breite Palette an Komplexität haben. Rutschregeln und Nomogramme sind die einfachsten, während Naval -Schüsse -Steuercomputer und große hybride digitale/analoge Computer zu den kompliziertesten gehörten.[1] Komplexe Mechanismen für Prozesssteuerung und Schutzrelais verwendete analoge Berechnung, um Kontroll- und Schutzfunktionen auszuführen.

Analoge Computer wurden in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen auch nach dem Aufkommen digitaler Computer häufig verwendet, da sie zu der Zeit in der Regel viel schneller waren, aber sie wurden bereits in den 1950er und 1960er Jahren veraltet, obwohl sie in bestimmten spezifischen Anwendungen gebraucht wurden Anwendungen wie Flugzeuge Flugsimulatoren, das Flugcomputer in Flugzeug, und zum Lehren Kontroll systeme an Universitäten. Das vielleicht am meisten zuordenbare Beispiel für analoge Computer sind mechanische Uhren wo die kontinuierliche und periodische Drehung von verknüpften Zahnrädern die Sekunden, Minuten und Stunden in der Uhr treibt. Komplexere Anwendungen wie Flugzeugflugsimulatoren und Synthetik-Apertur-Radar, blieb die Domäne des analogen Computers (und Hybrid Computing) weit in die 1980er Jahre, da die digitalen Computer für die Aufgabe nicht ausreichten.[2]

Zeitleiste analogen Computern

Vorläufer

Dies ist eine Liste von Beispielen für frühe Berechnungsgeräte, die als Vorläufer der modernen Computer bezeichnet werden. Einige von ihnen wurden möglicherweise sogar von der Presse als "Computer" bezeichnet, obwohl sie möglicherweise nicht moderne Definitionen entsprechen.

Das Antikythera -Mechanismus, Datierung zwischen 150 und 100 v. Chr., war ein früher analoge Computer.

Das Antikythera -Mechanismus war ein Orrery und wird nach einem frühen mechanischen analogen Computer angesehen, so Derek J. de Solla Preis.[3] Es wurde entwickelt, um astronomische Positionen zu berechnen. Es wurde 1901 in der entdeckt Antikythera -Wrack von der griechischen Insel von Antikythera, zwischen Kythera und Kretaund wurde datiert zu c.100 v. Chr während der Hellenistische Periode von Griechenland. Geräte mit einer Komplexität, die mit dem des Antikythera -Mechanismus vergleichbar ist, würden erst tausend Jahre später wieder auftauchen.

Viele mechanische Hilfsmittel für die Berechnung und Messung wurden für den astronomischen Einsatz und die Navigationsverwendung konstruiert. Das Planisphäre wurde erstmals von Ptolemäus im 2. Jahrhundert n. Chr. beschrieben. Das Astrolabe wurde in der erfunden Hellenistische Welt entweder im 1. oder 2. Jahrhundert vor Christus und wird häufig auf Hipparchus. Eine Kombination aus der Planisphäre und DioptraDer Astrolabe war effektiv ein analogen Computer, der in der Lage war, verschiedene Arten von Problemen in der Lage zu machen sphärische Astronomie. Ein Astrolabe, der eine Mechanik enthält Kalender Computer[4][5] und Ausrüstung-Weels wurden von Abi Bakr von erfunden Isfahan, Persien im Jahr 1235.[6] Abū Rayhān al-Bīrūnī erfand das erste mechanische Getriebe Lunisolar -Kalender Astrolabe,[7] eine frühe festeverdrahtet Wissensverarbeitung Maschine[8] mit einer Ausrüstungszug und Ausrüstungsräder,[9] c.N. Chr. 1000. Das Schlossuhr, a Wasserkraft mechanisch astronomische Uhr erfunden von Al-Jazari Im Jahr 1206 war der erste programmierbar Analoger Computer.[10][11][12]

Das SektorEin Berechnungsinstrument, das zur Lösung von Problemen im Verhältnis, Trigonometrie, Multiplikation und Teilung sowie für verschiedene Funktionen wie Quadrate und Würfelwurzeln verwendet wurde, wurde im späten 16. Jahrhundert entwickelt und fand die Anwendung in Gunnery, Vermessung und Navigation.

Das Planimeter war ein manuelles Instrument zur Berechnung der Fläche einer geschlossenen Figur, indem es mit einer mechanischen Verknüpfung darüber verfolgt wurde.

A Rechenschieber. Der gleitende zentrale Slip ist auf 1,3 eingestellt, der Cursor auf 2,0 und zeigt auf das multiplizierte Ergebnis von 2,6.

Das Rechenschieber wurde zwischen 1620 und 1630 kurz nach der Veröffentlichung der erfunden Konzept des Logarithmus. Es handelt sich um einen handbetriebenen analogen Computer für Multiplikation und Spaltung. Im Laufe der Entwicklung der Folienregel lieferten die zusätzlichen Skalen Reziprocals, Quadrate und quadratische Wurzeln, Würfel und Würfelwurzeln sowie die Wurzeln Transzendentale Funktionen wie Logarithmen und Exponentiale, kreisförmige und hyperbolische Trigonometrie und andere Funktionen. Die Luftfahrt ist eines der wenigen Felder, in denen die Rutsching -Regeln noch weit verbreitet sind, insbesondere bei der Lösung von Zeit -Distanz -Problemen in leichten Flugzeugen.

1831–1835 Mathematiker und Ingenieur Giovanni Plana entwickelt a Perpetual Calendar Machine, was durch ein System von Riemenscheiben und Zylindern das vorhersagen könnte ewiger Kalender für jedes Jahr von 0 n. Chr. (Das heißt 1 v. Chr.) Bis 4000 n. Chr. Halten Sie die Schaltjahre und die variierende Tageslänge im Auge.[13]

Das Gezeitenvorschriftenmaschine erfunden von Sir William Thomson 1872 war ein großer Versorgungsunternehmen für die Navigation in flachen Gewässern. Es wurde ein System von Riemenscheiben und Kabeln verwendet, um die vorhergesagten Gezeitenspiegel für einen festgelegten Zeitraum an einem bestimmten Ort automatisch zu berechnen.

Das Differentialanalysator, ein mechanischer analoge Computer, der zum Lösen entwickelt wurde Differentialgleichung durch Integration, verwendete Rad-and-Disc-Mechanismen, um die Integration durchzuführen. 1876 James Thomson hatte bereits die mögliche Konstruktion solcher Taschenrechner erörtert, aber er war durch das begrenzte Ausgangsdrehmoment des Ball-and-Disk-Integratoren. Es folgten eine Reihe ähnlicher Systeme, insbesondere denen des Spaniers Techniker Leonardo Torres y Quevedo, der mehrere Maschinen zur Lösung realer und komplexer Wurzeln von Polynomen baute; und Michelson und Stratton, deren Harmonic Analyzer eine Fourier -Analyse durchführte, aber ein Array von 80 Federn anstelle von Kelvin -Integratoren. Diese Arbeit führte zum mathematischen Verständnis der Gibbs Phänomen Überschwingen bei Fourier -Darstellung in der Nähe von Diskontinuitäten.[14] In einem Differentialanalysator trug der Ausgang eines Integrators die Eingabe des nächsten Integrators oder eine Grafikausgabe. Das Drehmomentverstärker war der Vorschuss, der es diesen Maschinen ermöglichte, zu arbeiten. Ab den 1920er Jahren, Vannevar Bush und andere entwickelten mechanische Differentialanalysatoren.

Moderne Ära

Analog -Computermaschine am Lewis Flight Propulsion Laboratory circa 1949.
Heathkit EC-1 Bildungsanaloger Computer

Das Dumaresq war ein mechanisches Berechnungsgerät, das von Leutnant um 1902 erfunden wurde John Dumaresq des Königliche Marine. Es war ein analoge Computer, der wichtige Variablen des Brandschutzproblems mit der Bewegung des eigenen Schiffes und dem eines Zielschiffes verwandte. Es wurde oft mit anderen Geräten verwendet, wie z. Vickers Range Clock Um Reichweite und Ablenkungsdaten zu generieren, damit die Waffenvisiere des Schiffes kontinuierlich eingestellt werden können. Eine Reihe von Versionen des Dumaresq wurde mit zunehmender Komplexität im Laufe der Entwicklung erzeugt.

Bis 1912 Arthur Pollen hatte einen elektrisch angetriebenen mechanischen analogen Computer für entwickelt Feuer-Kontrollsystemebasierend auf dem Differentialanalysator. Es wurde von der verwendet Kaiserliche russische Marine in Erster Weltkrieg.

Ab 1929, AC -Netzwerkanalysatoren wurden konstruiert, um Berechnungsprobleme im Zusammenhang mit elektrischen Stromversorgungssystemen zu lösen, die zu groß waren, um sie zu lösen Numerische Methoden damals.[15] Dies waren im Wesentlichen Skalierungsmodelle der elektrischen Eigenschaften des Systems in voller Größe. Da Netzwerkanalysatoren Probleme für analytische Methoden oder Handberechnungen zu stark behandeln könnten, wurden sie auch verwendet, um Probleme in der Kernphysik und in der Gestaltung von Strukturen zu lösen. Bis Ende der 1950er Jahre wurden mehr als 50 große Netzwerkanalysatoren gebaut.

Zweiter Weltkrieg Era -Waffe Regisseure, Waffendaten Computer, und Bombenblicke verwendete mechanische analoge Computer. 1942 Helmut Hölzer bauten einen vollständig elektronischen analogen Computer bei Peenemünde Army Research Center[16][17][18] als eingebettetes Steuerungssystem (Mischgerät) berechnen V-2-Rakete Trajektorien aus den Beschleunigungen und Orientierungen (gemessen von Gyroskope) und die Rakete zu stabilisieren und zu führen.[19][20] Mechanische analoge Computer waren sehr wichtig in Waffenfeuerkontrolle Im Zweiten Weltkrieg, der Koreakrieg und weit über den Vietnamkrieg hinaus; Sie wurden in erheblicher Anzahl gemacht.

In der Zeit 1930–1945 in den Niederlanden Johan Van Veen entwickelte einen analogen Computer, um Gezeitenströme zu berechnen und vorherzusagen, wenn die Geometrie der Kanäle geändert wird. Um 1950 wurde diese Idee zu der entwickelt Deltar, a Hydraulische Analogie Computer, der die Schließung von Flussmündungen im Südwesten der Niederlande unterstützt (die Delta funktioniert).

Das Fermiac war ein analoger Computer, der 1947 vom Physiker Enrico Fermi erfunden wurde, um seine Studien zum Neutronentransport zu unterstützen.[21] Project Cyclone war ein analoge Computer, der 1950 von Reeves für die Analyse und das Design dynamischer Systeme entwickelt wurde.[22] Project Typhoon war ein analoge Computer, der 1952 von RCA entwickelt wurde. Er bestand aus über 4000 Elektronenröhrchen und verwendete 100 Zifferblätter und 6000 Plug-in-Anschlüsse zum Programmieren.[23] Das Einsteigercomputer war eine hydraulische Analogie einer Volkswirtschaft, die erstmals 1949 vorgestellt wurde.[24]

Computer Engineering Associates wurde aus dem Ausdruck gebracht Caltech 1950, um kommerzielle Dienstleistungen mit dem "Direct Analogy Electric Analog Computer" ("die größte und beeindruckendste Analysatoranalyseanalyse für die Lösung von Feldproblemen") anzubieten Bart Locanthi.[25][26]

Bildungsanaloge Computer veranschaulichen die Prinzipien der analogen Berechnung. Das Heathkit EC-1, ein analoger Bildungscomputer im Wert von 199 US-Dollar, wurde von der Heath Company, USA, hergestellt c.1960.[27] Es wurde mit Patchkabel programmiert, die neun angeschlossen wurden Operationsverstärker und andere Komponenten.[28] General Electric Außerdem vermarktete er in den frühen 1960er Jahren ein analoge Computerkit eines einfachen Designs in den frühen 1960er Jahren, die aus zwei Transistor -Tongeneratoren und drei Potentiometern bestanden, so dass die Frequenz des Oszillators nullte, als die Potentiometer -Zifferblätter von Hand positioniert wurden, um eine Gleichung zu erfüllen. Der relative Widerstand des Potentiometers entsprach dann der Formel der gelösten Gleichung. Multiplikation oder Abteilung konnte durchgeführt werden, je nachdem, welche Zifferblätter Eingänge waren und welche Ausgabe war. Die Genauigkeit und Auflösung war begrenzt und eine einfache Folienregel genauer. Die Einheit demonstrierte jedoch das Grundprinzip.

Analoge Computerdesigns wurden in Elektronikmagazinen veröffentlicht. Ein Beispiel ist der PE -Analog -Computer, der in der Ausgabe von September 1978 in Practical Electronics veröffentlicht wurde. Ein weiteres moderneres Hybrid -Computerdesign wurde 2002 in der täglichen praktischen Elektronik veröffentlicht.[29] Ein auf dem EPE -Hybridcomputer beschriebener Beispiel war der Flug eines VTOL -Flugzeugs wie dem Harrier -Sprungstrahl.[29] Die Höhe und Geschwindigkeit des Flugzeugs wurde vom analogen Teil des Computers berechnet und über einen digitalen Mikroprozessor an einen PC gesendet und auf dem PC -Bildschirm angezeigt.

In industriellem ProzesssteuerungAnaloge Schleifensteuerungen wurden verwendet, um die Temperatur, den Durchfluss, den Druck oder andere Prozessbedingungen automatisch zu regulieren. Die Technologie dieser Controller reichte von rein mechanischen Integratoren über Vakuumrohr- und Festkörpergeräte bis hin zur Emulation analoge Controller durch Mikroprozessoren.

Elektronische analoge Computer

Polnischer analoge Computer Akat-1 (1959)
EAI 8800 Analog Computing -System verwendet für Hardware-in-the-Loop-Simulation von a Claas Traktor (1986)

Die Ähnlichkeit zwischen linearen mechanischen Komponenten, wie z. Federn und Dashpots (viskose Fluiddämpfer) und elektrische Komponenten, wie z. Kondensatoren, Induktoren, und Widerstände ist in Bezug auf die Mathematik auffällig. Sie können unter Verwendung von Gleichungen derselben Form modelliert werden.

Der Unterschied zwischen diesen Systemen macht das analoge Computer jedoch nützlich. Komplexe Systeme sind häufig nicht für die Stiftanalyse zugänglich und erfordern eine Form von Tests oder Simulation. Komplexe mechanische Systeme wie Suspensionen für Rennwagen sind teuer zu fertigen und schwer zu ändern. Und genaue mechanische Messungen während Hochgeschwindigkeitstests führen zu weiteren Schwierigkeiten.

Im Gegensatz dazu ist es sehr kostengünstig, ein elektrisches Äquivalent eines komplexen mechanischen Systems aufzubauen und sein Verhalten zu simulieren. Ingenieure arrangieren ein paar Operationsverstärker (OP -Verstärker) und einige passive lineare Komponenten zur Bildung einer Schaltung, die dieselben Gleichungen wie das simulierte mechanische System folgt. Alle Messungen können direkt mit einem durchgeführt werden Oszilloskop. In der Schaltung kann beispielsweise die (simulierte) Steifheit der Feder durch Anpassen der Parameter eines Integrators geändert werden. Das elektrische System ist eine Analogie zum physikalischen System, daher der Name, aber es ist viel günstiger als ein mechanischer Prototyp, viel einfacher zu ändern und im Allgemeinen sicherer.

Der elektronische Stromkreis kann auch schneller oder langsamer laufen als das zu simulierte physische System. Erfahrene Benutzer von elektronischen analogen Computern gaben an, dass sie im Vergleich zu digitalen Simulationen eine vergleichsweise intime Kontrolle und Verständnis des Problems anbieten.

Elektronische analoge Computer sind besonders gut geeignet, um Situationen zu repräsentieren, die durch Differentialgleichungen beschrieben werden. Historisch gesehen wurden sie oft verwendet, wenn sich ein System von Differentialgleichungen als sehr schwer mit traditionellen Mitteln zu lösen hatte. Als einfaches Beispiel die Dynamik von a Frühlingsmassesystem kann durch die Gleichung beschrieben werden , mit als vertikale Position einer Masse , das Dämpfungskoeffizient, das Federkonstante und das Schwerkraft der Erde. Für das analoge Computer wird die Gleichung als programmiert . Die äquivalente analoge Schaltung besteht aus zwei Integratoren für die Zustandsvariablen (Geschwindigkeit) und (Position), ein Wechselrichter und drei Potentiometer.

Elektronische analoge Computer haben Nachteile: Der Wert der Versorgungsspannung des Schaltkreises begrenzt den Bereich, über den die Variablen variieren können (da der Wert einer Variablen durch eine Spannung an einem bestimmten Kabel dargestellt wird). Daher muss jedes Problem skaliert werden, damit seine Parameter und Abmessungen unter Verwendung von Spannungen dargestellt werden können, die die Schaltung liefern kann - e. g. Die erwarteten Größen der Geschwindigkeit und die Position von a Frühlingspendel. Unangemessen skalierte Variablen können ihre Werte durch die Grenzen der Versorgungsspannung "klemmt". Oder wenn sie zu klein skaliert werden, können sie unter höher leiden Geräuschpegel. Beide Probleme können dazu führen, dass die Schaltung eine falsche Simulation des physischen Systems erzeugt. (Moderne digitale Simulationen sind viel robuster gegenüber sehr unterschiedlichen Werten ihrer Variablen, sind jedoch immer noch nicht vollständig gegen diese Bedenken immun: Floating-Punkt-digitale Berechnungen unterstützen einen riesigen dynamischen Bereich, können jedoch unter Ungenauigkeit leiden, wenn winzige Unterschiede der großen Werte zu großen Werten führen Numerische Instabilität.))

Analogkreis für die Dynamik eines Federmassensystems (ohne Skalierungsfaktoren)
Gedämpfte Bewegung eines Federmassensystems

Die Präzision der analogen Computer -Anzeige war hauptsächlich durch die Genauigkeit der verwendeten Auslesergeräte begrenzt, im Allgemeinen drei oder vier signifikante Zahlen. (Moderne digitale Simulationen sind in diesem Bereich viel besser. Digital willkürliche Präzisionsarithmetik Kann jeglichen gewünschten Präzisionsgrad liefern.) In den meisten Fällen reicht jedoch die Genauigkeit eines analogen Computers angesichts der Unsicherheit der Modelleigenschaften und seiner technischen Parameter absolut aus.

Viele kleine Computer, die spezifischen Berechnungen gewidmet sind aufstellen.

In den 1960er Jahren war der Haupthersteller Elektronische Mitarbeiter von Princeton, New Jerseymit seinem 231r analogen Computer (Vakuumrohre, 20 Integratoren) und anschließend sein analoger Computer EAI 8800 (Festkörperverstärker, 64 Integratoren).[30] Sein Herausforderer wurde Dynamik von angewendet Ann Arbor, Michigan.

Obwohl die Grundtechnologie für analoge Computer normalerweise operative Verstärker sind (auch als "kontinuierliche Stromverstärker" bezeichnet, weil sie keine niedrige Einschränkung haben), wurde in den 1960er Jahren ein Versuch unternommen, eine alternative Technologie zu verwenden: Mittelfrequenzträger und Nicht dissipative reversible Schaltungen.

In den 1970er Jahren hatte jedes große Unternehmen und jede große Verwaltung, die sich mit Problemen in der Dynamik befassten, ein großes analoges Computerzentrum, zum Beispiel:

Analog -Digital -Hybriden

Analoge Computergeräte sind schnelle, digitale Computergeräte sind vielseitiger und genauer. Die Idee ist daher, die beiden Prozesse für die beste Effizienz zu kombinieren. Ein Beispiel für ein solches hybrides Elementargerät ist der Hybridmultiplikator, bei dem ein Eingang ein analoges Signal ist, der andere Eingang ein digitales Signal und der Ausgang analog ist. Es fungiert digital als analoges Potentiometer -Upgradierbar. Diese Art von Hybridtechnik wird hauptsächlich für schnell dedizierte Echtzeitberechnung verwendet, wenn die Computerzeit als Signalverarbeitung für Radare und im Allgemeinen für Controller in sehr kritisch ist eingebettete Systeme.

In den frühen 1970er Jahren versuchten analoge Computerhersteller, ihren analogen Computer mit einem digitalen Computer zusammenzubinden, um die Vorteile der beiden Techniken zu erhalten. In solchen Systemen kontrollierte der digitale Computer den analogen Computer, lieferte anfängliche Einrichtung, Initiierung mehrerer analoger Läufe und automatisch Füttern und Sammeln von Daten. Der digitale Computer kann auch an der Berechnung selbst teilnehmen Analog zu Digital und Digital-analog-Konverter.

Der größte Hersteller von Hybrid Computer war Electronics Associates. Ihr Hybrid -Computermodell 8900 wurde aus einem digitalen Computer und einer oder mehreren analogen Konsolen hergestellt. Diese Systeme waren hauptsächlich großen Projekten wie den gewidmet Apollo -Programm und Space Shuttle bei NASA oder Ariane in Europa, insbesondere während des Integrationsschritts, in dem zu Beginn alles simuliert ist und progressiv reale Komponenten ihren simulierten Teil ersetzen.[31]

In den 1970er Jahren war nur ein Unternehmen in den 1970er Jahren allgemeine kommerzielle Computerdienste für seine Hybridcomputer CISI von Frankreich anbieten.

Die beste Referenz in diesem Bereich ist die 100.000 Simulationsläufe für jede Zertifizierung der automatischen Landesysteme von Airbus und Concorde Flugzeug.[32]

Nach 1980 fuhren rein digitale Computer immer schneller und waren schnell genug, um mit analogen Computern zu konkurrieren. Ein Schlüssel zur Geschwindigkeit analogen Computern war ihre vollständig parallele Berechnung, aber dies war auch eine Einschränkung. Je mehr Gleichungen für ein Problem erforderlich sind, desto mehr analoge Komponenten waren erforderlich, selbst wenn das Problem nicht zeitkritisch war. "Programmieren" Ein Problem bedeutete, die analogen Operatoren zu verbinden. Selbst mit einem abnehmbaren Verkabelungspanel war dies nicht sehr vielseitig. Heute gibt es keine großen hybriden Computer mehr, sondern nur hybride Komponenten.

Implementierungen

Mechanische analoge Computer

Während im Laufe der Geschichte eine Vielzahl von Mechanismen entwickelt wurde, sind einige aufgrund ihrer theoretischen Bedeutung hervorgegangen, oder weil sie in erheblichen Mengen hergestellt wurden.

Die meisten praktischen mechanischen analogen Computer aller signifikanten Komplexität verwendeten rotierende Wellen, um Variablen von einem Mechanismus zum anderen zu tragen. Kabel und Riemenscheiben wurden in einem Fourier -Synthesizer a verwendet, a Gezeitenvorschriftenmaschine, die die einzelnen harmonischen Komponenten zusammenfassten. Eine andere Kategorie, die nicht annähernd so bekannt ist, verwendete rotierende Wellen nur für Eingang und Ausgabe mit Präzisionsregalen und Ritzel. Die Racks wurden mit Verknüpfungen verbunden, die die Berechnung durchführten. Mindestens ein US Naval Sonar Fire Control Computer der späteren 1950er Jahre, der von Librascope hergestellt wurde, war von dieser Art, ebenso wie der Hauptcomputer in der MK. 56 Waffenfeuerkontrollsystem.

Online gibt es eine bemerkenswert klare illustrierte Referenz (OP 1140)[33] Das beschreibt die Brandsteuerungscomputermechanismen.[33] Zum Hinzufügen und Subtrahieren wurden in einigen Computern Präzisions-Gehrung-Gear-Differentiale in gemeinsamen Verwendung verwendet. das Ford -Instrument Mark I feuern Computer Computer enthält ungefähr 160 von ihnen.

Die Integration in Bezug auf eine andere Variable wurde durch eine rotierende Scheibe durchgeführt, die von einer Variablen angetrieben wird. Die Ausgabe kam von einem Abholgerät (z. B. einem Rad), das auf einem Radius der Scheibe proportional zur zweiten Variablen positioniert war. (Ein Träger mit einem Paar Stahlkugeln, die von kleinen Walzen getragen wurden, funktionierten besonders gut. Eine Walze, ihre Achse parallel zur Scheibeoberfläche, sorgte für den Ausgang. Sie wurde durch eine Feder gegen das Paar Kugeln gehalten.)

Beliebige Funktionen einer Variablen wurden von CAMS mit Getriebe bereitgestellt, um die Follower -Bewegung in die Wellenrotation umzuwandeln.

Funktionen von zwei Variablen wurden durch dreidimensionale Cams bereitgestellt. In einem guten Design drehte eine der Variablen die Kamera. Ein hemisphärischer Anhänger bewegte seinen Träger auf einer Drehachse parallel zu der der rotierenden Achse der Kamera. Drehbewegung war die Ausgabe. Die zweite Variable bewegte den Anhänger entlang der Achse der Kamera. Eine praktische Anwendung war Ballistik in Gunnery.

Die Koordinatenumwandlung von Polar zu Rechteck wurde von einem mechanischen Resolver durchgeführt (als "Komponentenlöser" in Fire Control -Computern der US -Marine bezeichnet). Zwei Scheiben auf einer gemeinsamen Achse positionierten einen Schiebeblock mit Stift (Stubby -Welle) darauf. Eine Scheibe war ein Gesichtskamm, und ein Anhänger auf dem Block in der Face Cam's Groove setzte den Radius. Die andere Scheibe, näher am Stift, enthielt einen geraden Schlitz, in dem sich der Block bewegte. Der Eingangswinkel drehte die letztere Scheibe (die Gesichtsscheibe, für einen unveränderlichen Radius, der mit der anderen (Winkel-) Scheibe gedreht wurde; ein Differential und einige Getriebe haben diese Korrektur durchgeführt).

In Bezug auf den Rahmen des Mechanismus entsprach die Position des Stifts der Spitze des Vektors, der durch die Winkel- und Größeneingänge dargestellt wurde. Auf diesem Stift befand sich ein quadratischer Block.

Richtige koordinierte Ausgänge (sowohl Sinus als auch Cosinus, typischerweise) stammten aus zwei geschlitzten Platten, die jeweils auf dem gerade erwähnten Block angepasst wurden. Die Platten bewegten sich in geraden Linien, die Bewegung einer Platte im rechten Winkel zu der der anderen. Die Schlitze befanden sich rechtwinklig zur Bewegungsrichtung. Jeder Teller selbst war wie ein Scotch Jochbekanntermaßen Dampfmotoren -Enthusiasten.

Während des Zweiten Weltkriegs wandelte ein ähnlicher Mechanismus geradlinige in Polarkoordinaten um, war jedoch nicht besonders erfolgreich und wurde in einer signifikanten Neugestaltung eliminiert (USN, Mk. 1 bis Mk. 1a).

Die Multiplikation wurde durch Mechanismen durchgeführt, die auf der Geometrie ähnlicher rechter Dreiecke basieren. Unter Verwendung der trigonometrischen Begriffe für ein rechtes Dreieck, speziell gegenüberliegende, benachbarte und hypotenuse, wurde die angrenzende Seite durch den Bau festgelegt. Eine Variable veränderte die Größe der gegenüberliegenden Seite. In vielen Fällen veränderte diese Variable das Zeichen; Die Hypotenuse könnte mit der benachbarten Seite (ein Nulleingang) übereinstimmen oder über die benachbarte Seite hinausgehen, was eine Vorzeichenänderung darstellt.

Typischerweise würde ein Ritzel-betriebenes Rack, das sich parallel zur (trig. definierten) gegenüberliegenden Seite bewegt, einen Objektträger mit einem mit der Hypotenuse überdachten Schlitz positioniert. Ein Drehpunkt auf dem Rack ließ den Winkel des Objektträgers frei ändern. Am anderen Ende des Objektträgers (der Winkel in Trig. Begriffen) definierte ein Block auf einem an dem Rahmen festgelegten Stift den Scheitelpunkt zwischen der Hypotenuse und der angrenzenden Seite.

In irgendeiner Entfernung entlang der angrenzenden Seite schneidet eine Linie senkrecht zu einem bestimmten Punkt die Hypotenuse. Der Abstand zwischen diesem Punkt und der angrenzenden Seite ist ein Bruchteil, der das Produkt ist 1 der Abstand vom Scheitelpunkt und 2 die Größe der gegenüberliegenden Seite.

Die zweite Eingangsvariable in dieser Art von Multiplikator positioniert eine geschlitzte Platte senkrecht zur benachbarten Seite. Dieser Steckplatz enthält einen Block, und die Position dieses Blocks in seinem Schlitz wird durch einen anderen Block direkt daneben bestimmt. Letztere rutscht entlang der Hypotenuse, sodass die beiden Blöcke in einem Abstand von der (Trig.) Benachbarte Seite um eine Menge proportional zum Produkt positioniert sind.

Um das Produkt als Ausgang zu liefern, bewegt sich auch ein drittes Element, eine andere geschlitzte Platte, ebenfalls parallel zur (trig.) Gegenüberliegenden Seite des theoretischen Dreiecks. Wie üblich ist der Schlitz senkrecht zur Bewegungsrichtung. Ein Block in seinem Schlitz, der sich auf den Hypotenuse -Block bewegte, positioniert ihn.

Eine spezielle Art von Integrator, die an einem Punkt verwendet wurde, an dem nur eine mäßige Genauigkeit benötigt wurde, basierte auf einer Stahlkugel anstelle einer Scheibe. Es hatte zwei Eingänge, einen, um den Ball zu drehen, und der andere, um den Winkel der rotierenden Achse des Kugels zu definieren. Diese Achse befand sich immer in einer Ebene, die die Achsen von zwei Bewegungsabholungswalzen enthielt, die dem Mechanismus einer Rollball-Computermaus sehr ähnlich waren (in diesem Mechanismus waren die Abholwalzen ungefähr der gleiche Durchmesser wie der Ball). . Die Abhol-Rollenachsen befanden sich im rechten Winkel.

Ein Paar Rollen "über" und "unter" wurde das Stellflugzeug in rotierenden Haltern montiert, die zusammen ausgerichtet waren. Diese Ausrüstung wurde durch den Winkeleingang angetrieben und die rotierende Achse der Kugel festgelegt. Der andere Eingang drehte die "Boden" -Walze, um die Kugel zu drehen.

Im Wesentlichen war der gesamte Mechanismus, der als Komponentenintegrator bezeichnet wird, ein Antrieb mit einem Variablengeschwindigkeit mit einem Bewegungseingang und zwei Ausgängen sowie einem Winkeleingang. Der Winkeleingang variierte das Verhältnis (und die Richtung) der Kopplung zwischen dem "Bewegungseingang" und den Ausgängen gemäß dem Sinus und dem Cosinus des Eingangswinkels.

Obwohl sie keine Berechnung erreichten, waren die elektromechanischen Positionsdienste für mechanische analoge Computer des Typs "Rotationswelle" für das Betriebsdrehmoment für die Eingaben nachfolgender Computermechanismen sowie die Antriebsdatenübertragungsgeräte wie groß -Transmitter -Synchros in Marinecomputern.

Andere Lese-Mechanismen, die nicht direkt Teil der Berechnung sind, umfassten interne mit dem mometerähnliche Zähler mit interpolierenden Drum-Zifferblättern zur Anzeige interner Variablen und mechanische Multi-Turn-Grenzwerte.

In Anbetracht dessen, dass eine genau kontrollierte Rotationsgeschwindigkeit in analogen Feuerkontrollcomputern ein grundlegendes Element ihrer Genauigkeit war, gab es einen Motor mit seiner Durchschnittsgeschwindigkeit, die von einem Gleichgewichtsrad, einem Haarspring, juwelenhaltigem Differential, einem Twin-Lobe-Nocken und einer Federstufe kontrolliert wurde. Belastete Kontakte (Schiffsnotenfrequenz war nicht unbedingt genau oder zuverlässig genug, wenn diese Computer entworfen wurden).

Elektronische analoge Computer

Schaltbrett von EAI 8800 Analog Computer (Frontansicht)

Elektronische analoge Computer haben typischerweise Frontplatten mit zahlreichen Buchsen (Einkontakthöhlen), die Patchkabel (flexible Drähte mit Steckern an beiden Enden) ermöglichen, um die Verbindungen zu erstellen, die das Problemaufbau definieren. Darüber hinaus gibt es Präzisions-hochauflösende Potentiometer (variable Widerstände) für die Einrichtung (und bei Bedarf variierende) Skalenfaktoren. Darüber hinaus gibt es normalerweise ein Analog-Zeiger-Zeigermesser mit Null-Zentrum für die modifizierte Genauigkeitsspannungsmessung. Stabile, genaue Spannungsquellen liefern bekannte Größen.

Typische elektronische analoge Computer enthalten einige bis hundert oder mehr Operationsverstärker ("OP -Verstärker"), genannt, weil sie mathematische Operationen ausführen. OP -Verstärker sind eine bestimmte Art von Rückkopplungsverstärker mit sehr hoher Verstärkung und stabilem Eingang (niedriger und stabiler Versatz). Sie werden immer mit präzisen Feedback -Komponenten verwendet, die im Betrieb die Ströme, die aus Eingangskomponenten eingehen, fast abbrechen. Die Mehrheit der OP -Verstärker in einem repräsentativen Setup summiert Verstärker, die analoge Spannungen hinzufügen und subtrahieren und das Ergebnis an ihren Ausgangsbuchsen liefern. Auch OP -Verstärker mit Kondensator -Feedback sind normalerweise in einem Setup enthalten. Sie integrieren die Summe ihrer Eingaben in Bezug auf die Zeit.

Die Integration in eine andere Variable ist die nahezu exklusive Provinz mechanischer analoge Integratoren. Es ist fast nie in elektronischen analogen Computern durchgeführt. Angesichts der Tatsache, dass sich eine Problemlösung nicht mit der Zeit ändert, kann die Zeit als eine der Variablen dienen.

Andere Computerelemente umfassen analoge Multiplikatoren, nichtlineare Funktionsgeneratoren und analoge Komparatoren.

Elektrische Elemente wie Induktoren und Kondensatoren, die in elektrischen analogen Computern verwendet wurden, mussten sorgfältig hergestellt werden, um nicht ideale Effekte zu reduzieren. Zum Beispiel bei der Konstruktion von AC -LeistungsnetzwerkanalysatorenEin Motiv für die Verwendung höherer Frequenzen für den Taschenrechner (anstelle der tatsächlichen Leistungsfrequenz) war, dass höherwertige Induktoren leichter hergestellt werden konnten. Viele allgemeine analoge Computer vermieden die Verwendung von Induktoren vollständig und das Problem in einer Form, die nur mit Widerstand und kapazitiven Elementen gelöst werden könnte, da hochwertige Kondensatoren relativ einfach herstellen können.

Die Verwendung elektrischer Eigenschaften in analogen Computern bedeutet, dass normalerweise Berechnungen durchgeführt werden Echtzeit (oder schneller), bei einer Geschwindigkeit, die hauptsächlich durch den Frequenzgang der operativen Verstärker und anderer Computerelemente bestimmt wird. In der Geschichte elektronischer analogischer Computer gab es einige spezielle Hochgeschwindigkeitstypen.

Nichtlinear Funktionen und Berechnungen können durch Entwerfen mit einer begrenzten Präzision (drei oder vier Ziffern) konstruiert werden Funktionsgeneratoren- SPECIAL SCHICKEN VERSCHAFTEN KOMBINATIONEN VON FESTOREN UND DIODEN, um die Nichtlinearität zu liefern. In der Regel, wenn die Eingangsspannung zunimmt, leiten zunehmend mehr Dioden.

Wenn die Temperatur kompensiert wird, kann der Vorwärtsspannungsabfall des Basis-Emitter-Übergangs eines Transistors eine benutzerfreundliche logarithmische oder exponentielle Funktion liefern. OP -Verstärker skalieren die Ausgangsspannung so, dass sie mit dem Rest des Computers verwendet werden kann.

Jeder physische Prozess, der einige Berechnungen modelliert, kann als analoge Computer interpretiert werden. Einige Beispiele, die erfunden haben, um das Konzept der analogen Berechnung zu veranschaulichen, umfassen die Verwendung eines Bündels von Spaghetti wie Ein Modell zum Sortieren von Zahlen; Ein Brett, ein Set Nägel und ein Gummiband als Modell zum Auffinden der konvexer Rumpf einer Reihe von Punkten; und Strings, die als Modell zusammengebunden sind, um den kürzesten Weg in einem Netzwerk zu finden. Diese sind alle beschrieben in Dewdney (1984).

Komponenten

Ein 1960 Newmark analogen Computer, der aus fünf Einheiten besteht. Dieser Computer wurde verwendet, um zu lösen Differentialgleichung und ist derzeit im untergebracht Cambridge Museum of Technology.

Analoge Computer haben oft ein kompliziertes Framework, haben jedoch im Kern eine Reihe von Schlüsselkomponenten, die die Berechnungen durchführen. Der Bediener manipuliert diese im Rahmen des Computers.

Wichtige hydraulische Komponenten können Rohre, Ventile und Behälter umfassen.

Die wichtigsten mechanischen Komponenten können rotierende Wellen zum Tragen von Daten im Computer enthalten. Gehrungsausrüstung Differentiale, Disc/Ball/Roller -Integratoren, Cams (2-D und 3-D), mechanische Resolver und Multiplikatoren sowie Drehmomentservos.

Die wichtigsten elektrischen/elektronischen Komponenten können umfassen:

Die in einem elektrischen analogen Computer verwendeten kernmathematischen Vorgänge sind:

In einigen analogen Computerdesigns wird die Multiplikation der Teilung sehr bevorzugt. Die Division wird mit einem Multiplikator im Feedback -Pfad eines operativen Verstärkers durchgeführt.

Die Differenzierung in Bezug auf die Zeit wird nicht häufig verwendet, und in der Praxis wird durch die Neudefinition des Problems nach Möglichkeit vermieden. Es entspricht der Frequenzdomäne zu einem Hochpassfilter, was bedeutet, dass Hochfrequenzrauschen verstärkt wird. Die Differenzierung riskiert auch die Instabilität.

Einschränkungen

Im Allgemeinen sind analoge Computer durch nicht ideale Effekte begrenzt. Ein Analogsignal besteht aus vier Grundkomponenten: DC- und Wechselstromgrößen, Frequenz und Phase. Die tatsächlichen Grenzen des Bereichs dieser Eigenschaften begrenzen analoge Computer. Einige dieser Grenzen umfassen den operativen Verstärkerversatz, die endgültige Verstärkung und den Frequenzgang. Lärmboden, Nichtlinearitäten, Temperaturkoeffizient, und parasitäre Wirkungen Innerhalb Halbleitergeräte. Für im Handel erhältliche elektronische Komponenten sind die Bereiche dieser Aspekte der Eingangs- und Ausgangssignale immer Leistungsmerkmale.

Abfall

In den 1950er bis 1970er Jahren wurden digitale Computer, die auf ersten Vakuumröhrchen, Transistoren, integrierten Schaltkreisen und anschließenden Mikroprozessoren basieren, wirtschaftlicher und präziser. Dies führte digitale Computer dazu, analoge Computer weitgehend zu ersetzen. Trotzdem werden noch einige Forschungen zur analogen Berechnung durchgeführt. Einige Universitäten verwenden immer noch analoge Computer, um zu lehren Kontrollsystemtheorie. Die American Company Comyna hat kleine analoge Computer hergestellt.[34] An der Indiana University Bloomington hat Jonathan Mills den erweiterten analogen Computer entwickelt, der auf Stichprobenspannungen in einem Schaumstoffblatt basiert.[35] Im Harvard Robotics Laboratory,[36] Analog Berechnung ist ein Forschungsthema. Die Fehlerkorrekturkreise von Lyric Semiconductor verwenden analoge probabilistische Signale. Rutschregeln sind bei Flugzeugpersonal immer noch beliebt.

Wiederaufleben

Mit der Entwicklung von Sehr große Integration (VLSI) -Technologie, Yannis Tsividis 'Gruppe an der Columbia University hat das analoge/hybride Computer -Design im Standard -CMOS -Prozess überprüft. Es wurden zwei VLSI-Chips entwickelt, ein analoge Computer 80. Ordnung (250 nm) von Glenn Cowan[37] im Jahr 2005[38] und ein Hybridcomputer in 4. Ordnung (65 nm), der 2015 von Ning Guo entwickelt wurde.[39] Beide zielen auf energieeffiziente ODE/PDE-Anwendungen ab. Glenns Chip enthält 16 Makros, bei denen 25 analoge Computerblöcke, nämlich Integratoren, Multiplikatoren, Fanouts, wenige nichtlineare Blöcke, vorhanden sind. Der Ning -Chip enthält einen Makroblock, in dem 26 Computerblöcke enthalten sind, darunter Integratoren, Multiplikatoren, Fanouts, ADCs, SRAMS und DACs. Die adc+sram+DAC -Kette wird eine willkürliche nichtlineare Funktionserierung ermöglicht, wobei der SRAM -Block die nichtlinearen Funktionsdaten speichert. Die Experimente aus den verwandten Veröffentlichungen zeigten, dass VLSI -Analog-/Hybrid -Computer sowohl in der Lösungszeit als auch in der Energie etwa 1–2 Ordnungsgröße des Vorteils zeigten und gleichzeitig die Genauigkeit innerhalb von 5%erreichten, was auf das Versprechen hinweist, analog/hybride Computertechniken in der Fläche zu verwenden von energieeffizientem ungefähren Computer. Im Jahr 2016 entwickelte ein Forscherteam einen Compiler zum Lösen Differentialgleichung Verwenden analogen Schaltungen.[40]

Analoge Computer werden auch in verwendet Neuromorphes Computerund im Jahr 2021 hat eine Gruppe von Forschern gezeigt, dass eine bestimmte Art von künstliche neuronale Netz genannt Spikes neuronales Netzwerk war in der Lage, mit analogen neuromorphen Computern zu arbeiten.[41]

Praktische Beispiele

X-15 Simulator Analog Computer

Dies sind Beispiele für analoge Computer, die konstruiert oder praktisch verwendet wurden:

Analog (Audio) Synthesizer kann auch als eine Form eines analogen Computers angesehen werden, und ihre Technologie basierte ursprünglich teilweise auf der elektronischen analogen Computertechnologie. Das ARP 2600Der Ringmodulator war eigentlich ein analoge Multiplikator mit moderatem Genauigkeit.

Der Simulationsrat (oder Simulationsrat) war eine Vereinigung analogen Computerbenutzern in den USA. Es ist jetzt als Gesellschaft für Modellierung und Simulation International bekannt. Die Simulationsrat -Newsletter von 1952 bis 1963 sind online verfügbar und zeigen die Bedenken und Technologien zu dieser Zeit sowie die gemeinsame Verwendung von analogen Computern für die Raketierin.[42]

Siehe auch

Anmerkungen

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Verweise

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Externe Links