Аналоговий комп'ютер: опис, принцип дії, можливості

Зараз майже в кожній хаті стоїть комп'ютер для роботи, навчання, розваг або все відразу. Сучасний ПК з'явився завдяки електронно-обчислювальній машині, тому під ЕОМ часто мають на увазі стару версію комп'ютера. Але мало хто знає про існування АВМ.

Поняття

АВМ - це аналоговий комп'ютер, що є певним прообразом обчислювальної машини. Він працює з числовими даними, які розробляються завдяки аналоговим фізичним параметрам. Сюди можна віднести показники швидкості, довжини, сили, тиску тощо Крім алгоритмів роботи аналоговий комп'ютер відрізняється від ЕОМ тим, що позбавлений програми управління. Тобто немає спеціальних команд, які б допомагали йому справлятися із завданнями. У цьому разі завдання ставиться перед машиною самим внутрішнім пристроєм і встановленими настройками.

Початок історії

Перш ніж з'явився перший комп'ютер в світі, пристрою довелося пройти складний шлях. Вважається, що аналоговий апарат, який дав розвиток подібних пристроїв, вперше був розроблений в 100 році до нашої ери. Антикітерський механізм знайшли через 2 тисячі років. Прилад отримав свою назву завдяки місця, де був знайдений - острів Антикітери. Також досить популярним вважається астролябія. Це винахід було відомим у наукових колах серед астрологів і астрономів ще до нашої ери, допомагало визначати місце розташування зірок на небі і розбиратися в тривалості доби.

Активні розробки

З XVII століття починається активна розробка аналогових пристроїв. Так з'являється логарифмічна лінійка, яку, хоча і не назвеш комп'ютером, все ж можна віднести до аналогового обчислювального приладу.


Буквально через 20 років з'являється «паскаліна», а після машина Морленда. У XIX столітті винайдений планиметр, який допомагав у той час знаходити площу кривої. Пізніше — інтегратор, який не схожий на аналоговий комп'ютер, все ж є приладом, легко высчитывающим інтеграли. У XX столітті активною розробкою почали займатися російські вчені. Наприклад, Олексій Крилов придумав прилад, який допомагав вирішувати диференціальні рівняння. Пізніше це винахід використовували для проектування кораблів. Через 8 років було створено обладнання на основі того, що придумав Крилов, але займаються інтегруванням диференціальних рівнянь. Незабаром з'являється механічне інтегруюче винахід і електродинамічне лічильно-аналітичний прилад. Механічна АВМ стала відома завдяки Конрад Цузе, який створив Z1. З появою підсилювача АВМ, що не мають рухомих частин, почали працювати на постійному струмі. СРСР також займалася розробками. Тому вже в 1949 році були випущені АВМ на постійному струмі. Тут же з'являється перший нейрокомп'ютер-перцептрон. Всі ці винаходи призвели до того, що в 60-ті роки XX століття аналогові комп'ютери стали головним помічником вчених по всьому світу.

Робота пристрою

Непросто точно визначити, коли ж з'явився перший комп'ютер в світі. У цьому випадку найчастіше згадують IBM, розроблений в Гарварді в 1941 році. А ось на цей рахунок про АВМ жодної подібної інформації немає. Але зараз це вже не так важливо. Набагато цікавіше принцип дії.
Аналоговий комп'ютер займається обчисленнями, всі цифрові дані можуть змінюватися в залежності від одержуваних результатів. Останні представлені графіками, які зазвичай відображені на папері або дисплеї. Також результат можна отримати у вигляді електричного сигналу. Він паралельно контролює процес обчислення та функціонування обладнання.

Особливості

Аналогова обчислювальна машина з легкістю справляється з автоматичною регуляцією різних процесів виробництва. Це пов'язано з тим, що АВМ швидко реагує на будь-які зміни даних. Тому подібний пристрій буде вигідно під час наукових досліджень, коли вхідні значення можуть змінюватися під час процесу. АВМ може стати корисною в науці, яка не вимагає дорогих електроприладів. Пристроям досить вміти імітувати досліджувані процеси. Іноді подібна машина потрібна в тому випадку, щоб вирішувати завдання, які не потребують такої точності обчислень, як у випадку з завданнями для ЕОМ. Електронні аналогові комп'ютери легко справляються з диференціальними рівняннями, интегрированиями і пр. Щоб вирішити подібні завдання, достатньо використовувати спеціальні схеми і вузли. У випадку з АВМ подібних команд не потрібно, тому робота цього пристрою дещо простіше.

Аналоговий блок

В описі аналогового комп'ютера повинні бути присутніми його елементи. В операційний блок входять такі деталі, які зайняті одним із завдань. Всіх їх можна об'єднати у систему, щоб працювати над однією операцією з певної моделі.
Блоки АВМ можна поділити на кілька груп: лінійна; нелінійна; логічна. В лінійну групу входять деталі, які займаються математичними операціями. До нелінійної групи відносять блоки, що працюють з нелінійною залежністю функції від різних змінних. Логічна група містить елементи безупинної, дискретної логіки. Існує кілька видів аналогових комп'ютерів, тому їх склад може дещо відрізнятися від наявних варіантів.

Базові елементи

Крім вищеописаних блоків, є основні елементи, які мають свої певні параметри. Існує ємнісне ЗУ, яке ґрунтується на конденсаторних властивості і може зберігати напруга. Дільник напруги також відноситься до ЗУ. У цьому випадку на роботу впливають кути повороту реостатів. Вони залежать від запам'ятовуються величин. До основним блокам відносять запоминающую пару, яка часто представлена операційним підсилювачем. Один може функціонувати у відстеженні вхідного сигналу, другий - в зберіганні.

Характеристика

Як у будь-якого пристрою, у аналогового комп'ютера є характеристики. Але сама основна - добротність. Ця узагальнений параметр машини, який має певну формулу. Деякі значення залежать від рівня перешкод, також на них впливають помилки і точності.

Різновиди

Як вже згадувалося раніше, АВМ може бути різних типів. Але в цілому кожен варіант можна відправити в одну з двох груп: спеціалізовану - для вузьких спеціальних завдань; універсальну - для будь варіант завдань. Далі всі аналогові комп'ютери можна розподілити на залежні від різновиди робочого тіла, за конструктивними ознаками і за типом функціонування.

Тип робочого тіла

Можливості аналогового комп'ютера визначили його тип. Але не тільки функціонування впливає на диференціацію пристроїв. Все також залежить від типу робочого тіла. Так, зустрічаються: механічні; пневматичні; гідравлічні; електричні; комбіновані; електромеханічні. До механічного типу відносять такі пристрої, які мають механічні переміщення. Із-за особливостей цього варіанту машини необхідно масштабувати змінні, а також вести силовий розрахунок конструкції і мертвих ходів. Цей тип має свої переваги і недоліки. Машина надійна і справляється з різними математичними завданнями. Разом з тим має високу вартість, непростий механізм розробки і великі розміри. Пневматичний вид працює з показниками тиску повітря. Для отримання результатів необхідно обзавестися побудованої мережею. У складі цієї машини часто можна побачити дроселі, ємності мембрани. Цей тип АВМ практично не має будь-яких похибок. Зараз часто його можна зустріти в промисловості, яка вимагає підвищеної вібраційної стійкості та роботу при перепадах температур. Гідравлічний тип працює з диференціальними рівняннями, які пов'язані з протіканням води. Раніше ці машини можна було зустріти в багатьох фірмах, що до 80-х років XX століття. Зараз є лише дві гідравлічні АВМ, які знаходяться в музеї.
За аналогією можна здогадатися, що електричні пристрої беруть за показники електричне напруга постійного струму. Популярні завдяки надійним властивостями, швидкості роботи, зручному регулювання і точним кінцевим даними. Електромеханічний тип має механічні та електричні змінні величини. Для машини цього виду характерні обертові трансформатори і тахогенератори. Пристрій має ковзні контакти, тому менш надійно, ніж попередні варіанти.

Конструктивні ознаки

Сюди відносять: матричні; структурні. АВМ матричного типу має окремі елементи, які об'єднують строго в групи за певними ознаками. Цей варіант підходить для створення диференціальних рівнянь. Але виконання процесів потрібно налаштовувати певним чином. Групи, які мають певні ознаки, які працюють кожна зі своїм завданням. Для коректного дослідження потрібно використовувати масштаб. Цей тип має низьку ефективність. Структурний тип АВМ представлений пристроями, що мають обчислювальні блоки. У цьому випадку вони об'єднані не строго, а завдяки завданням, які потрібні для розбору операції. Розрахована машина на математичне моделювання.

Функціонування

У цю групу відносять пристрої: швидкі; повільні; повторне. Швидкий тип налаштований так, що етапи вирішення процесів повторюються в автоматичному режимі. Це зроблено завдяки системі комутації. Частота повторень залежить від характеристик деталей. Для роботи з такою швидкістю потрібна складна конструкція. Перевагою такої машини є можливість спостереження за результатами експериментів. Повільний тип має одноразове дію. Рішення звичайних процесів в цьому випадку може займати від декількох секунд до декількох хвилин. Результат досліджень можна побачити тільки після завершення всіх циклів. Итеративная АВМ використовує для вирішення ітераційний спосіб. Машина подібного типу дозволяє керувати ходом експерименту в певні відрізки часу.

Використання машин

Електронні аналогові комп'ютери відомі вже давно, тому пройшли певну стадію вдосконалення. Ці пристрої засновані на завданні фізичних параметрів елементів. Зазвичай цей процес відбувається за рахунок включення і виключення деяких блоків з системи. До того як АВМ досягла піку свого розвитку, подібні пристрої застосовувалися в авіації та ракетної техніки. Машини в цьому випадку допомагали швидко обробляти дані та формувати сигнали для управління. Так стали відомі автопілоти і більш складні системи управління польотами. В автомобілі також можна знайти аналогову систему. Тут нею є трансмісія. Коли обертаючий момент змінюється, рідина змінює тиск в гідроприводі. Таким чином відбувається певний коефіцієнт передачі. Як вже згадувалося раніше, часто АВМ відносять до вузькоспеціальним пристроїв, тому їх застосовують для особливих завдань. Раніше був відомий кулачковий механічний аналоговий прилад. Його використовували в паровозостроении. Механічні комп'ютери стали популярні в сфері космосу. Вони допомагали збирати дані завдяки індикаторам поверхні. До 2002 року був відомий комп'ютер «Глобус», який справлявся з подібними завданнями. Є аналогові прилади і у військовій техніці. Вони відповідають за управління вогнем артилерії, обчислення різних показників під час битв і т. п. В цьому випадку використовуються швидкі машини, які легко справляються в умовах перешкод.

Приклади

Прикладів аналогових комп'ютерів за час їх існування зібралося безліч. Наприклад, в 1962 році була створена АВМ «Ітератор». Вона допомагала вирішувати особливий вид завдань, пов'язаний з лінійними рівняннями. Цей прилад функціонує завдяки особливому способу, яким вчені зобов'язані Ньютону. Також «Ітератор» справляється з лінійними алгебраїчними рівняннями. Також світові відомо ціла серія пристроїв «МН». Назва є абревіатурою - «нелінійна модель». Спочатку пристрій повинно було працювати з задачами Коші. Найяскравішим представником лінійки є «МН-18». Це середньої потужності прилад, який може вирішувати складні динамічні системи. Робить він це з допомогою математичного моделювання. Також варто згадати про Візку Монте-Карло. Цей комп'ютер з'явився завдяки Енріко Фермі. Він був розрахований на дослідження руху нейтронів. Для отримання результатів було взято за основу метод Монте-Карло. ZAM - це чергове сімейство аналогових машин, які були створені у Варшаві. Їх виробництво почалося в 60-ті роки XX століття. Кожне пристрій працювало на основі двійкової системи числення.

Примітка

Прийнято вважати, що мозок людини - самий популярний «аналогове пристрій». Вчені вважають його сильним і працездатним приладом, який коли-небудь існував. Звичайно, з таким твердженням можна посперечатися, оскільки робота імпульсів здійснюється за рахунок дискретних сигналів. Але дані в нервовій системі не мають цифровий вигляд. Цифрові та аналогові комп'ютери об'єдналися, і вийшли нейрокомп'ютери. Це гібридні пристрої, які, хоча й відносять до аналоговим, побудовані на цифрових ЕОМ. Ці машини працюють аналогічно клітинам мозку.