ANALOGE COMPUTERS: KENMERKEN, COMPONENTEN, TYPEN - TECHNOLOGIE - 2024

De analoge computers zijn een soort computer die continu veranderende aspecten van fysische verschijnselen, zoals elektrische grootheden, mechanisch of hydraulisch, gebruikt om het op te lossen probleem te modelleren.

Dat wil zeggen, het zijn computers die werken met getallen die worden weergegeven door direct meetbare continue waarden, zoals druk, temperatuur, spanning, snelheid en gewicht. Digitale computers vertegenwoordigen deze waarden daarentegen symbolisch.

Bron: X-15_Analog_computer door hoe het is gemaakt - https://www.youtube.com/watch?v=PW1NAcZLDgs, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52164169

Analoge computers kunnen een zeer breed scala aan complexiteit hebben. De eenvoudigste zijn rekenlinialen en nomogrammen, terwijl de computers die scheepsgeschut besturen en grote hybride digitale / analoge computers tot de meest gecompliceerde behoren. Het waren destijds de eerste computermachines die werden ontwikkeld.

Procesbesturingssystemen en beveiligingsrelais gebruiken analoge computers om besturings- en beveiligingsfuncties uit te voeren.

In de jaren zestig was de belangrijkste fabrikant het Amerikaanse bedrijf Electronic Associates, met zijn 231R analoge computer, met vacuümbuizen en 20 integratoren. Later, met zijn 8800 analoge computer, met solid-state op-amps en 64 integrators.

Vervanging door digitale computers

In de jaren 60 en 70 werden digitale computers, eerst gebaseerd op vacuümbuizen, en later op transistors, geïntegreerde schakelingen en microprocessors, zuiniger en nauwkeuriger.

Dit leidde ertoe dat digitale computers grotendeels analoge computers vervangen. Analoge computers werden echter nog steeds gebruikt in wetenschappelijke en industriële toepassingen, omdat ze in die tijd gewoonlijk veel sneller waren.

Ze werden bijvoorbeeld nog steeds gebruikt in een aantal specifieke toepassingen, zoals de vluchtcomputer in vliegtuigen.

Complexere toepassingen, zoals synthetische apertuurradar, bleven tot ver in de jaren tachtig onder de dominantie van analoog computergebruik, aangezien digitale computers onvoldoende waren voor deze taak.

Er wordt nog steeds onderzoek gedaan naar analoog computergebruik. Sommige universiteiten gebruiken nog steeds analoge computers om de theorie van besturingssystemen te onderwijzen.

kenmerken

Analoge gegevensverwerking

Een analoge computer wordt gebruikt om analoge gegevens te verwerken, zoals spanning, temperatuur, druk, snelheid, etc. Het slaat deze gegevens van fysieke grootheden continu op en voert berekeningen uit met behulp van deze metingen.

Het verschilt nogal van de digitale computer, die symbolische getallen gebruikt om de resultaten weer te geven.

Analoge computers zijn ideaal voor situaties waarin gegevens direct moeten worden gemeten, zonder deze om te zetten in cijfers of codes.

Analoge signalen gebruiken

De analoge computer gebruikt het analoge signaal, dat kan worden weergegeven als een continue of sinusgolf, dat waarden bevat die in de tijd variëren.

Een analoog signaal kan variëren in amplitude of frequentie. De amplitudewaarde is de intensiteit van het signaal gerelateerd aan het hoogste punt, de top genaamd, en het laagste punt. Aan de andere kant is de waarde van de frequentie de fysieke lengte van links naar rechts.

Voorbeelden van analoge signalen zijn geluid of menselijke spraak door geëlektrificeerde koperdraad.

Analoge computers hebben geen opslagcapaciteit nodig, omdat ze in één bewerking hoeveelheden meten en vergelijken.

Beperkte precisie

Analoge weergaven hebben een beperkte nauwkeurigheid, gewoonlijk tot op enkele decimalen.

De nauwkeurigheid van een analoge computer wordt beperkt door zijn rekenelementen, evenals door de kwaliteit van de interne stroomvoorziening en elektrische verbindingen.

Het wordt voornamelijk beperkt door de nauwkeurigheid van de gebruikte leesapparatuur, die over het algemeen drie of vier decimalen bedraagt.

Programmeren

Programmeren in een analoge computer omvat het transformeren van de vergelijkingen van het probleem in het analoge computerschakeling.

Waar zijn analoge computers voor?

Ze worden gebruikt om gegevens weer te geven in meetbare grootheden, zoals spanningen of tandwielrotatie, om een ​​probleem op te lossen, in plaats van de gegevens uit te drukken als getallen.

Monitoring en controle

In bewakings- en regelsystemen worden ze gebruikt om een ​​besturingsformule te bepalen en om procesparameters te berekenen, zoals efficiëntie, vermogen, prestatie en andere.

Als u een wiskundige uitdrukking kunt toewijzen die de associatie van een parameter met de coördinaten van een object definieert, kan de analoge computer de overeenkomstige vergelijking oplossen.

Analoge computers worden bijvoorbeeld veel gebruikt om de economische efficiëntie van voedingssystemen te evalueren en kunnen dienen als automatische regelaars.

Ze worden vaak gebruikt om processen aan te sturen, zoals die in olieraffinaderijen, waar continue stroom- en temperatuurmetingen belangrijk zijn.

Geavanceerde analyse

Door herhaaldelijk het stelsel van vergelijkingen op te lossen dat een gecontroleerd proces beschrijft, kan een analoge computer in korte tijd een groot aantal alternatieve oplossingen scannen. Om dit te doen, gebruikt het verschillende waarden in de parameters die tijdens het proces kunnen veranderen.

De vereiste kwaliteit kan worden gegarandeerd door middel van stuursignalen die worden aangekondigd door de analoge computer.

De door de computer bepaalde waarden worden naar een regelinrichting gestuurd, die de controlepunten aanpast.

Bepaling van storende of nuttige signalen

De grootte van een storend of nuttig signaal wordt bepaald met behulp van differentiaalvergelijkingen die het dynamische systeem beschrijven, de waarden van de beginvoorwaarden, naast de veranderingen die zijn bepaald in de statistieken die ruis en signaal meten.

Een analoge computer kan ook worden gebruikt om instrumenten te bouwen die automatisch storingen registreren en een stuursignaal produceren, afhankelijk van het karakter en de hoeveelheid van de storingen.

Dynamische systeemsimulatie

De simulaties kunnen in realtime of met zeer hoge snelheden worden uitgevoerd, waardoor kan worden geëxperimenteerd met herhaalde runs met de gewijzigde variabelen.

Ze zijn op grote schaal gebruikt in vliegtuigsimulaties, kerncentrales en ook in industriële chemische processen.

Componenten

Operationele versterker

De meeste elektrische analoge computers werken door spanningen of potentiaalverschillen te manipuleren. De basiscomponent is de operationele versterker, een apparaat waarvan de uitgangsstroom evenredig is met het verschil in ingangspotentiaal.

Door deze uitgangsstroom door de juiste componenten te laten stromen, worden meer potentiaalverschillen verkregen en kan een breed scala aan wiskundige bewerkingen worden uitgevoerd, waaronder optellen, aftrekken, omkeren en integreren.

Een elektrische analoge computer bestaat uit vele soorten versterkers. Deze kunnen worden verbonden om een ​​wiskundige uitdrukking van grote complexiteit en met een veelvoud aan variabelen te genereren.

Hydraulische componenten

De belangrijkste hydraulische componenten kunnen pijpen, kleppen en containers zijn.

Mechanische componenten

Er kunnen roterende assen zijn om gegevens binnen de computer te transporteren, differentiële tandwielen, schijf-, kogel- of rolintegratoren, 2D- en 3D-nokken, mechanische resolvers en vermenigvuldigers, en servo-koppels.

Elektrische en elektronische componenten

- Precisieweerstanden en condensatoren.

- Operationele versterkers.

- Multipliers.

- Potentiometers.

- Vaste functiegeneratoren.

Volgens de aard van wiskundige bewerkingen

Lineair

Lineaire componenten voeren de bewerkingen uit van optellen, integratie, tekenwijzigingen, vermenigvuldiging met een constante en andere.

Niet lineair

Functiegeneratoren reproduceren niet-lineaire relaties. Er zijn computercomponenten die zijn ontworpen om een ​​toegewezen functie te reproduceren uit een, twee of meer argumenten.

Het is in deze klasse gebruikelijk om onderscheid te maken tussen apparaten die discontinue functies met één argument reproduceren en apparaten met vermenigvuldigingsdelers.

Logisch

Onder de logische componenten bevinden zich analoge logische apparaten, ontworpen om de grotere of kleinere hoeveelheid tussen verschillende grootheden te scheiden, discrete logische apparaten, relaisschakelcircuits en enkele andere speciale eenheden.

Alle logische apparaten worden over het algemeen gecombineerd tot één, een parallel logisch apparaat genoemd. Het is uitgerust met een eigen patchpaneel om individuele logische apparaten met elkaar en met de andere analoge componenten van de computer te verbinden.

Soorten

Mechanische computers

Ze zijn gemaakt van mechanische componenten, zoals hendels en tandwielen, in plaats van elektronische componenten.

De meest voorkomende voorbeelden zijn telmachines en mechanische tellers, die het draaien van tandwielen gebruiken om optellingen of tellingen uit te voeren. Complexere voorbeelden kunnen vermenigvuldiging en deling en zelfs differentiële analyse uitvoeren.

De meest praktische mechanische computers gebruiken roterende assen om variabelen van het ene mechanisme naar het andere te transporteren.

In de Fourier-synthesizer, een machine voor het voorspellen van getijden, werden kabels en katrollen gebruikt die de harmonische componenten toevoegden.

Het is belangrijk om de mechanische vlieginstrumenten in het vroege ruimtevaartuig te noemen, die het berekende resultaat niet in de vorm van cijfers lieten zien, maar door verplaatsingen van de indicatoroppervlakken.

Bemande Sovjet-ruimtevaartuigen waren uitgerust met een instrument genaamd de Globus. Dit toonde de figuurlijke beweging van de aarde door de verplaatsing van een miniatuur aardbol, naast indicatoren van lengte- en breedtegraad.

Elektrische computers

Ze komen vaker voor omdat ze een aanzienlijk bredere doorlaatband hebben en handig zijn voor aansluiting op andere computers en apparaatbesturingselementen.

Ze gebruiken elektrische signalen die door verschillende weerstanden en condensatoren stromen om fysieke verschijnselen te simuleren, in plaats van mechanische interactie tussen componenten.

Het ontwerp van de analoge elementen van de computer is gebaseerd op elektronische gelijkstroomversterkers. Deze hebben een hoge winst in open circuit-modus.

Afhankelijk van de structuur van de ingangs- en feedbackcircuits, voert een opamp een lineaire of een niet-lineaire wiskundige bewerking uit. Ook een combinatie van deze bewerkingen.

Dit type analoge computer werd halverwege de 20e eeuw veel gebruikt in de computer- en militaire technologie, zoals bij het testen van vliegtuigen en raketten.

Verschillen met digitaal

Signaaloverdracht

Digitale signalen hebben twee discrete toestanden, uit of aan. De uit-toestand is nul volt en de aan-toestand is vijf volt. Dit is de reden waarom digitale computers gegevens met binaire getallen gebruiken, in de vorm van 0 en 1.

Analoge signalen zijn continu. Ze kunnen overal tussen twee uitersten liggen, zoals -15 en +15 volt. De spanning van een analoog signaal kan constant zijn of in de tijd variëren.

Dat wil zeggen, in analoge computers worden gegevens verzonden in de vorm van continue signalen. In digitale computers worden ze verzonden in de vorm van discrete signalen.

Circuittypes

Analoge computercircuits gebruiken operationele versterkers, signaalgeneratoren, weerstandsnetwerken en condensatoren. Deze circuits verwerken continue spanningssignalen.

Digitale computers gebruiken verschillende aan / uit-schakelingen, zoals microprocessors, klokgeneratoren en logische poorten.

Dat wil zeggen, de digitale computer gebruikt elektronische schakelingen, terwijl de analoge computer weerstanden gebruikt voor de continue stroom van het signaal.

Precisie

Analoge computers hebben te maken met een bepaald niveau van elektrische ruis in circuits, wat de nauwkeurigheid ervan beïnvloedt. De circuits van een digitale computer hebben ook elektrische ruis, hoewel dit geen invloed heeft op de nauwkeurigheid of betrouwbaarheid.

Aan de andere kant kan de analoge computer geen herhalende resultaten produceren met een exacte overeenkomst. Dit betekent dat analoge computers minder nauwkeurig zijn in vergelijking met digitale computers.

Programmeren

Zowel analoge als digitale computers kunnen worden geprogrammeerd, hoewel de methoden verschillen.

Digitale computers gebruiken complexe reeksen instructies, zoals het vergelijken of vermenigvuldigen van twee getallen, of het verplaatsen van gegevens van de ene plaats naar de andere.

Om een ​​analoge computer te programmeren, worden verschillende subsystemen elektrisch met kabels met elkaar verbonden. Zo is er een signaalgenerator aangesloten op een bedieningsknop om de intensiteit van het signaal te variëren.

Voorbeelden

Kasteel klok

Deze beroemde computer was in staat om programmeerinstructies op te slaan. Het apparaat is meer dan drie meter hoog en toont de tijd, de dierenriem en ook de banen van de zon en de maan.

Het computationele deel van het apparaat stelde gebruikers dus in staat om de variabele lengte van de dag in te stellen, afhankelijk van het seizoen. Beschreven in 1206, was deze computer erg complex voor zijn tijd.

Rekenliniaal

Een van de eenvoudigste en meest herkenbare mechanische analoge computers is de rekenliniaal. Dit is een apparaat om elementaire wiskundige berekeningen te benaderen.

Gebruikers schuiven een gemarkeerde staaf om deze uit te lijnen met verschillende markeringen op een andere staaf, waardoor het apparaat wordt gelezen op basis van de uitlijning van die verschillende markeringen.

Differentiële analysator

Deze mechanische analoge computer was in staat differentiaalvergelijkingen op te lossen. Met een ontwerp zo oud als het begin van de 19e eeuw, werd de differentiaalanalysator in de jaren dertig geperfectioneerd en tot het midden van de 20e eeuw gebruikt.

Het wordt beschouwd als de eerste moderne computer. Het woog 100 ton en bevatte 150 motoren, plus honderden kilometers kabels die relais en vacuümbuizen met elkaar verbindt.

Volgens de huidige normen was de machine traag. In feite was het slechts ongeveer honderd keer sneller dan een menselijke operator die een desktopcalculator gebruikt.

Andere voorbeelden

- Voorspeller Kerrison.

- Weegschaal-, balans- en weegcomputer van een vliegtuig.

- Mechanische integratoren zoals de planimeter.

- Nomogram.

- Norden bombardement vizier.

- Computers met betrekking tot vuurleiding.

- Waterintegratoren.

- MONIAC, economische modellen.

De Simulation Council was een vereniging van analoge computergebruikers in de Verenigde Staten.

De nieuwsbrieven van de Simulation Council van 1952 tot 1963 zijn momenteel online beschikbaar. Ze tonen de technologieën van die tijd en ook het algemene gebruik van analoge computers.

Referenties

1. Wikipedia, de gratis encyclopedie (2019). Analoge computer. Ontleend aan: en.wikipedia.org.
2. Techopedia (2019). Analoge computer. Genomen van: ceilingpedia.com.
3. Dinesh Thakur (2019). Wat is een analoge computer? - Definitie. Ecomputer-opmerkingen. Overgenomen van: ecomputernotes.com.
4. Encyclopaedia Britannica (2019). Analoge computer. Genomen uit: britannica.com.
5. John Papiewski (2019). 10 verschillen tussen analoge en digitale computers. Ontleend aan: techwalla.com.
6. Het gratis woordenboek (2019). Analoge computer. Genomen uit: encyclopedia2.thefreedictionary.com.
7. Encyclopedie (2002). Computer, analoog. Genomen uit: encyclopedia.com.