Analog bilgisayar - Analog computer

Norden bomba görüşünün bileşenlerini ve kontrollerini açıklayan Bombardier's Information File'dan (BIF) bir sayfa . Norden bombanın penceresinden sırasında Amerika Birleşik Devletleri Ordusu Hava Kuvvetleri tarafından kullanılan son derece sofistike optik / mekanik analog bilgisayar oldu Dünya Savaşı , Kore Savaşı ve Vietnam Savaşı bir pilot yardımcı olmak için bombardıman bırakarak uçakların bomba doğru.
1960'ların sonu ve 70'lerin başında TR-10 masaüstü analog bilgisayar

Bir analog bilgisayar ya da analog bilgisayar türüdür bilgisayar gibi fiziksel olaylar sürekli değişken özellikleri kullanmaktadır elektrik , mekanik ya da hidrolik miktarlardaki modeli sorun ortadan kalkmaktadır. Buna karşılık, dijital bilgisayarlar değişen miktarları sembolik olarak ve hem zaman hem de genliğin ayrık değerleriyle temsil eder.

Analog bilgisayarlar çok geniş bir karmaşıklık yelpazesine sahip olabilir. Kaydırmalı kurallar ve nomogramlar en basitiyken, deniz topçu ateşi kontrol bilgisayarları ve büyük hibrit dijital/analog bilgisayarlar en karmaşık olanlar arasındaydı. Proses kontrol ve koruyucu röle sistemleri, kontrol ve koruma fonksiyonlarını gerçekleştirmek için analog hesaplamayı kullandı.

Analog bilgisayarlar, dijital bilgisayarların ortaya çıkışından sonra bile bilimsel ve endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanıldı, çünkü o zamanlar tipik olarak çok daha hızlıydılar, ancak bazı özel alanlarda kullanımda kalsalar da, 1950'ler ve 1960'lar gibi erken bir tarihte kullanılmaya başlandılar. böyle uçak olarak uygulamaları, uçuş simülatörleri , uçuş bilgisayarına içinde uçakların ve öğretim için kontrol sistemleri üniversitelerde. Uçak uçuş simülatörleri ve sentetik açıklıklı radar gibi daha karmaşık uygulamalar, dijital bilgisayarlar görev için yetersiz olduğundan 1980'lere kadar analog hesaplamanın (ve hibrit hesaplamanın ) alanı olarak kaldı .

Analog bilgisayarların zaman çizelgesi

öncüler

Bu, modern bilgisayarların öncüleri olarak kabul edilen erken hesaplama cihazlarının örneklerinin bir listesidir. Hatta bazıları modern tanımlara uymasalar da basın tarafından 'bilgisayar' olarak adlandırılmış olabilir.

Antikythera mekanizması BC 150 ile 100 kalma, erken bir analog bilgisayar oldu.

Antikythera mekanizması bir oldu orrery göre ve erken bir mekanik analog bilgisayar olarak kabul edilir derek J. de Solla Fiyat . Astronomik konumları hesaplamak için tasarlandı. 1901 yılında, Kithira ve Girit arasında , Yunanistan'ın Antikythera adası açıklarındaki Antikythera enkazında keşfedilmiştir ve M.Ö.  100 M.Ö. sırasında Helenistik döneme Yunanistan. Antikythera mekanizmasıyla karşılaştırılabilir düzeyde karmaşıklığa sahip cihazlar, bin yıl sonrasına kadar yeniden ortaya çıkmayacaktı.

Astronomik ve navigasyon kullanımı için hesaplama ve ölçüm için birçok mekanik yardımcı yapılmıştır. Planisfer ilk olarak MS 2. yüzyılda Ptolemy tarafından tanımlanmıştır. Usturlap icat edildi Helenistik dünyanın 1 veya 2 yüzyıllar ya M.Ö. ve genellikle atfedilen Hipparchus . Planisphere ve dioptra'nın bir kombinasyonu olan usturlab, küresel astronomide birkaç farklı problem türünü çözebilen analog bir bilgisayardı . Mekanik bir birleşmeyle bir astrolab takvim bilgisayar ve vites -wheels Abi ait Bekir tarafından icat edilmiştir İsfahan , Pers 1235 yılında Ebu Rayhan El-Biruni ilk mekanik dişli icat güneş takvimdir usturlabı, erken sabit olmayışı kablolu bilgi işleme makinesini bir ile dişli tren ve dişli çarklar, c.  AD 1000 . Al-Jazari tarafından 1206'da icat edilen hidroelektrikle çalışan mekanik bir astronomik saat olan kale saati , ilk programlanabilir analog bilgisayardı.

Orantı, trigonometri, çarpma ve bölme ile ilgili problemleri çözmek ve kareler ve küp kökler gibi çeşitli işlevler için kullanılan bir hesaplama aracı olan sektör , 16. yüzyılın sonlarında geliştirilmiş ve topçuluk, haritacılık ve denizcilikte uygulama bulmuştur.

Planimetre bir mekanik bağlantı ile üzerine takip edilerek kapalı bir şeklin alanı hesaplamak için bir el aleti oldu.

Bir slayt kuralı . Kayan merkezi kayma 1.3'e, imleç 2.0'a ayarlanır ve 2.6'nın çarpılmış sonucunu gösterir.

Slayt kural kısaca yayınlanmasından sonra, 1620-1630 etrafında icat edilmiştir logaritmanın kavramı . Çarpma ve bölme yapmak için elle çalıştırılan bir analog bilgisayardır. Sürgülü kural geliştirme ilerledikçe, eklenen ölçekler karşılıklı, kareler ve karekökler, küpler ve küp köklerin yanı sıra logaritma ve üstel gibi aşkın işlevleri , dairesel ve hiperbolik trigonometri ve diğer işlevleri sağladı . Havacılık, özellikle hafif uçaklarda zaman-mesafe problemlerini çözmek için kayma kurallarının hala yaygın olarak kullanıldığı birkaç alandan biridir.

Charles Babbage , bazıları tarafından " bilgisayarın babası " olarak kabul edilir . 1822'de Babbage , modern bilgisayarların tüm temel fikirleri Babbage'ın Analitik Motorunda bulunsa da, sonunda daha karmaşık elektronik tasarımlara yol açan ilk mekanik bilgisayar olan Fark Motoru üzerinde tasarıma başladı .

1831-1835'te matematikçi ve mühendis Giovanni Plana , bir kasnak ve silindir sistemi aracılığıyla MS 0'dan (yani, MÖ 1) MS 4000'e kadar her yıl için sonsuz takvimi tahmin edebilen, sürekli bir takvim makinesi tasarladı. artık yıllar ve değişen gün uzunluğu.

Gelgit-tahmin makinesi tarafından icat Sir William Thomson 1872'de sığ sularda navigasyona büyük yarar oldu. Belirli bir yerde belirli bir süre için tahmini gelgit seviyelerini otomatik olarak hesaplamak için bir makara ve tel sistemi kullandı.

Diferansiyel denklemleri entegrasyon yoluyla çözmek için tasarlanmış mekanik bir analog bilgisayar olan diferansiyel analizör , entegrasyonu gerçekleştirmek için tekerlek ve disk mekanizmalarını kullandı. 1876'da James Thomson bu tür hesap makinelerinin olası yapısını tartışmıştı, ancak bilye ve disk entegratörlerinin sınırlı çıkış torku onu engellemişti . Bir diferansiyel çözümleyicide, bir entegratörün çıktısı, bir sonraki entegratörün girdisini veya bir grafik çıktısını sürdü. Tork amplifikatör çalışmalarına bu makinelerin izin ilerleme oldu. 1920'lerden başlayarak, Vannevar Bush ve diğerleri mekanik diferansiyel analizörler geliştirdiler.

Modern çağ

1949 dolaylarında Lewis Uçuş Tahrik Laboratuvarı'nda analog bilgi işlem makinesi .
Heathkit EC-1 eğitici analog bilgisayar

Dumaresq Teğmen tarafından 1902 civarında icat bir mekanik hesap aygıtı olan John Dumaresq ait Kraliyet Donanması . Ateş kontrol probleminin hayati değişkenlerini kişinin kendi gemisinin ve bir hedef geminin hareketiyle ilişkilendiren analog bir bilgisayardı. Genellikle, geminin silah nişangahlarının sürekli olarak ayarlanabilmesi için menzil ve sapma verileri oluşturmak için Vickers menzil saati gibi diğer cihazlarla birlikte kullanıldı . Geliştirme ilerledikçe Dumaresq'in bir dizi versiyonu artan karmaşıklıkta üretildi.

1912'de Arthur Pollen , yangın kontrol sistemleri için diferansiyel analizöre dayalı elektrikle çalışan bir mekanik analog bilgisayar geliştirdi . Bu tarafından kullanılan Rus Kraliyet Donanması içinde I. Dünya Savaşı .

1929'dan başlayarak, o zamanlar sayısal yöntemlerle çözülemeyecek kadar büyük olan elektrik güç sistemleriyle ilgili hesaplama problemlerini çözmek için AC ağ analizörleri inşa edildi . Bunlar esasen tam boyutlu sistemin elektriksel özelliklerinin ölçekli modelleriydi. Ağ analizörleri, analitik yöntemler veya elle hesaplama için çok büyük problemleri işleyebildiklerinden, nükleer fizikteki ve yapıların tasarımındaki problemleri çözmek için de kullanıldılar. 1950'lerin sonunda 50'den fazla büyük ağ analizörü üretildi.

Dünya Savaşı dönemi silah yöneticileri , silah veri bilgisayarları ve bomba manzaraları mekanik analog bilgisayarlar kullandı. 1942'de Helmut Hölzer , Peenemünde Ordu Araştırma Merkezi'nde , V-2 roket yörüngelerini ivme ve yönlerden ( jiroskoplarla ölçülen ) hesaplamak ve füzeyi stabilize etmek ve yönlendirmek için gömülü bir kontrol sistemi ( karıştırma cihazı ) olarak tamamen elektronik bir analog bilgisayar yaptı . Mekanik analog bilgisayarlar, İkinci Dünya Savaşı'nda, Kore Savaşı'nda ve Vietnam Savaşı'nın çok ötesinde silah atışlarının kontrolünde çok önemliydi ; önemli sayıda yapıldılar.

1930–1945 döneminde Hollanda'da Johan van Veen , kanalların geometrisi değiştiğinde gelgit akımlarını hesaplamak ve tahmin etmek için bir analog bilgisayar geliştirdi. 1950 civarında bu fikir, Hollanda'nın güneybatısındaki ( Delta Works ) haliçlerin kapatılmasını destekleyen analog bir bilgisayar olan Deltar'a dönüştü .

FERMIAC nötron taşıma yaptığı çalışmalarda yardım etmek için 1947 fizikçi Enrico Fermi tarafından keşfedilen bir analog bilgisayar oldu. Project Cyclone, 1950 yılında Reeves tarafından dinamik sistemlerin analizi ve tasarımı için geliştirilmiş bir analog bilgisayardı. Project Typhoon, 1952'de RCA tarafından geliştirilen bir analog bilgisayardı. 4000'den fazla elektron tüpünden oluşuyordu ve programlamak için 100 kadran ve 6000 fişli konektör kullanıyordu. MONIAC Bilgisayar ilk kez 1949'da açıldı bir ulusal ekonominin bir hidrolik modeldi.

Computer Engineering Associates, 1950'de Gilbert D. McCann tarafından geliştirilen "Doğrudan Analoji Elektrikli Analog Bilgisayar" ("alan problemlerinin çözümü için en büyük ve en etkileyici genel amaçlı analiz tesisi") kullanılarak ticari hizmetler sağlamak üzere Caltech'ten ayrıldı . , Charles H. Wilts ve Bart Locanthi .

Eğitsel analog bilgisayarlar, analog hesaplamanın ilkelerini gösterdi. 199 dolarlık bir analog analog bilgisayar olan Heathkit EC-1, ABD'deki Heath Company tarafından yapıldı .  1960 . Dokuz operasyonel amplifikatörü ve diğer bileşenleri birbirine bağlayan patch kablolar kullanılarak programlandı. General Electric ayrıca 1960'ların başında iki transistör ton üreteci ve üç potansiyometreden oluşan basit bir tasarıma sahip "eğitimsel" bir analog bilgisayar kiti pazarladı. denklem. Potansiyometrenin bağıl direnci daha sonra çözülmekte olan denklemin formülüne eşdeğerdi. Hangi kadranların girdi, hangisinin çıktı olduğuna bağlı olarak çarpma veya bölme yapılabilir. Doğruluk ve çözünürlük sınırlıydı ve basit bir slayt kuralı daha doğruydu - ancak ünite temel prensibi gösterdi.

Analog bilgisayar tasarımları elektronik dergilerinde yayınlandı. Bir örnek, Eylül 1978 baskısında Practical Electronics'te yayınlanan PE Analog Bilgisayardır. Daha modern bir hibrit bilgisayar tasarımı, 2002'de Everyday Practical Electronics'te yayınlandı. EPE Hibrit Bilgisayarında açıklanan bir örnek, Harrier atlama jeti gibi bir VTOL uçağının uçuşuydu. Uçağın irtifa ve hızı bilgisayarın analog kısmı tarafından hesaplanarak dijital mikroişlemci aracılığıyla PC'ye gönderilerek PC ekranında görüntülendi.

Endüstriyel proses kontrolünde sıcaklık, akış, basınç veya diğer proses koşullarını otomatik olarak düzenlemek için analog döngü kontrolörleri kullanıldı. Bu kontrolörlerin teknolojisi, tamamen mekanik entegratörlerden, vakum tüplü ve katı hal aygıtlarına ve mikroişlemciler tarafından analog kontrolörlerin öykünmesine kadar uzanıyordu.

Elektronik analog bilgisayarlar

Polonyalı analog bilgisayar AKAT-1 (1959)
EAI 8800 Bir Claas traktörünün döngü içi donanım simülasyonu için kullanılan analog bilgi işlem sistemi (1986)

Yaylar ve amortisörler (viskoz-akışkan sönümleyiciler) gibi doğrusal mekanik bileşenler ile kapasitörler , indüktörler ve dirençler gibi elektrik bileşenleri arasındaki benzerlik matematik açısından dikkat çekicidir . Aynı formdaki denklemler kullanılarak modellenebilirler.

Ancak, bu sistemler arasındaki fark, analog hesaplamayı faydalı kılan şeydir. Karmaşık sistemler genellikle kalem ve kağıt analizine uygun değildir ve bir tür test veya simülasyon gerektirir. Yarış arabaları için süspansiyonlar gibi karmaşık mekanik sistemlerin üretilmesi pahalıdır ve değiştirilmesi zordur. Ve yüksek hızlı testler sırasında hassas mekanik ölçümler almak daha fazla zorluk yaratır.

Aksine, davranışını simüle etmek için karmaşık bir mekanik sistemin elektrik eşdeğerini oluşturmak çok ucuzdur. Mühendisler , simüle edilen mekanik sistemle aynı denklemleri izleyen bir devre oluşturmak için birkaç işlemsel yükselteç (op amper) ve bazı pasif lineer bileşenler düzenler . Tüm ölçümler doğrudan bir osiloskop ile alınabilir . Devrede, örneğin (simüle edilmiş) yayın sertliği, bir entegratörün parametreleri ayarlanarak değiştirilebilir. Elektrik sistemi, fiziksel sisteme bir benzetmedir, dolayısıyla adı, ancak mekanik bir prototipten çok daha ucuzdur, değiştirilmesi çok daha kolaydır ve genellikle daha güvenlidir.

Elektronik devre, simüle edilen fiziksel sistemden daha hızlı veya daha yavaş çalışacak şekilde de yapılabilir. Elektronik analog bilgisayarların deneyimli kullanıcıları, dijital simülasyonlara göre nispeten yakın bir kontrol ve problem anlayışı sunduklarını söylediler.

Elektronik analog bilgisayarlar özellikle diferansiyel denklemlerle tanımlanan durumları temsil etmek için çok uygundur. Tarihsel olarak, genellikle bir diferansiyel denklem sisteminin geleneksel yollarla çözülmesinin çok zor olduğu durumlarda kullanıldılar. Basit bir örnek olarak, bir dinamikleri yay-kütle sistemi aşağıdaki denklem ile tanımlanabilir ile, bir yığın dikey pozisyonu olarak , sönümleme katsayısı , yay sabiti ve yerçekiminin . Analog hesaplama için denklem olarak programlanır . Eşdeğer analog devre, durum değişkenleri (hız) ve (pozisyon) için iki entegratör , bir invertör ve üç potansiyometreden oluşur.

Elektronik analog bilgisayarların dezavantajları vardır: Devrenin besleme voltajının değeri, değişkenlerin değişebileceği aralığı sınırlar (çünkü bir değişkenin değeri belirli bir kablodaki voltajla temsil edilir). Bu nedenle, her problem, parametrelerinin ve boyutlarının, devrenin sağlayabileceği voltajlar kullanılarak temsil edilebilmesi için ölçeklendirilmelidir - örneğin, hızın beklenen büyüklükleri ve bir yaylı sarkacın konumu . Yanlış ölçeklendirilmiş değişkenlerin değerleri, besleme geriliminin sınırları tarafından "kenetlenmiş" olabilir. Veya çok küçük ölçeklenirlerse, daha yüksek gürültü seviyelerinden zarar görebilirler . Her iki sorun da devrenin fiziksel sistemin yanlış bir simülasyonunu üretmesine neden olabilir. (Modern dijital simülasyonlar, değişkenlerinin geniş çapta değişen değerlerine karşı çok daha sağlamdır, ancak yine de bu endişelerden tamamen bağışık değildir: kayan noktalı dijital hesaplamalar çok büyük bir dinamik aralığı destekler, ancak çok büyük değerlerin küçük farklılıkları, sayısal istikrarsızlık .)

Yay kütle sisteminin dinamikleri için analog devre (ölçeklendirme faktörleri olmadan)
Yay kütle sisteminin sönümlü hareketi

Analog bilgisayar okumasının kesinliği, esas olarak kullanılan okuma ekipmanının kesinliği ile sınırlandırılmıştır, genellikle üç veya dört anlamlı rakam. (Modern dijital simülasyonlar bu alanda çok daha iyidir. Sayısal keyfi-kesinlikli aritmetik istenen herhangi bir kesinlik derecesini sağlayabilir.) Bununla birlikte, çoğu durumda, model özelliklerinin ve teknik parametrelerinin belirsizliği göz önüne alındığında, bir analog bilgisayarın kesinliği kesinlikle yeterlidir. .

Belirli hesaplamalara ayrılmış birçok küçük bilgisayar hala endüstriyel düzenleme ekipmanının bir parçasıdır, ancak 1950'lerden 1970'lere kadar, genel amaçlı analog bilgisayarlar, özellikle uçak, askeri ve havacılıkta dinamik sistemlerin gerçek zamanlı simülasyonu için yeterince hızlı olan tek sistemdi. alan.

1960'larda, büyük üretici, 231R Analog Bilgisayarı (vakum tüpleri, 20 entegratör) ve ardından EAI 8800 Analog Bilgisayarı (katı hal işlemsel yükselticiler, 64 entegratör) ile Princeton, New Jersey'deki Electronic Associates idi . Rakipçisi Ann Arbor, Michigan'daki Applied Dynamics idi .

Analog bilgisayarlar için temel teknoloji genellikle işlemsel yükselteçler olsa da (düşük frekans sınırlaması olmadığı için "sürekli akım yükselticileri" olarak da adlandırılır), 1960'larda Fransız ANALAC bilgisayarında alternatif bir teknoloji kullanma girişiminde bulunuldu: orta frekans taşıyıcı ve enerji tüketmeyen tersinir devreler.

1970'lerde dinamik problemlerle ilgilenen her büyük şirket ve idarenin büyük bir analog bilgi işlem merkezi vardı, örneğin:

Analog-dijital melezler

Analog bilgi işlem cihazları hızlıdır, dijital bilgi işlem cihazları daha çok yönlü ve doğrudur, bu nedenle fikir, en iyi verimlilik için iki işlemi birleştirmektir. Bu tür hibrit temel cihaza bir örnek, bir girişin analog sinyal olduğu, diğer girişin dijital bir sinyal olduğu ve çıkışın analog olduğu hibrit çoğaltıcıdır. Dijital olarak yükseltilebilen bir analog potansiyometre görevi görür. Bu tür hibrit teknik esas olarak, radarlar ve genellikle gömülü sistemlerdeki kontrolörler için sinyal işleme olarak hesaplama süresi çok kritik olduğunda, hızlı tahsisli gerçek zamanlı hesaplama için kullanılır .

1970'lerin başında analog bilgisayar üreticileri, iki tekniğin avantajlarını elde etmek için analog bilgisayarlarını dijital bir bilgisayarla birleştirmeye çalıştılar. Bu tür sistemlerde, dijital bilgisayar analog bilgisayarı kontrol ederek ilk kurulumu sağlar, çoklu analog çalıştırmaları başlatır ve otomatik olarak veri besler ve toplar. Dijital bilgisayar, analogdan dijitale ve dijitalden analoğa dönüştürücüler kullanarak da hesaplamaya katılabilir .

En büyük hibrit bilgisayar üreticisi Electronics Associates'di. Hibrit bilgisayar modeli 8900, dijital bir bilgisayardan ve bir veya daha fazla analog konsoldan yapılmıştır. Bu sistemler esas olarak NASA'daki Apollo programı ve Uzay Mekiği veya Avrupa'daki Ariane gibi büyük projelere , özellikle başlangıçta her şeyin simüle edildiği entegrasyon aşamasında ve aşamalı olarak gerçek bileşenlerin simüle edilen parçalarının yerini almasına adanmıştı.

1970'lerde Fransa'nın CISI adlı hibrit bilgisayarlarında genel ticari bilgi işlem hizmetleri sunan tek bir şirket biliniyordu .

Bu alandaki en iyi referans, Airbus ve Concorde uçaklarının otomatik iniş sistemlerinin her sertifikasyonu için 100.000 simülasyon çalışmasıdır .

1980'den sonra tamamen dijital bilgisayarlar giderek daha hızlı ilerledi ve analog bilgisayarlarla rekabet edebilecek kadar hızlıydı. Analog bilgisayarların hızının bir anahtarı, tamamen paralel hesaplamalarıydı, ancak bu aynı zamanda bir sınırlamaydı. Bir problem için ne kadar fazla denklem gerekliyse, problem zaman açısından kritik olmadığında bile o kadar fazla analog bileşene ihtiyaç duyuluyordu. "Programlama", analog operatörleri birbirine bağlamak anlamına gelen bir problemdi; çıkarılabilir bir kablo paneliyle bile bu çok yönlü değildi. Bugün artık büyük hibrit bilgisayarlar yok, sadece hibrit bileşenler var.

Uygulamalar

Mekanik analog bilgisayarlar

William Ferrel 'ın gelgit-öngören makinesi 1881-1882 arasında

Tarih boyunca çok çeşitli mekanizmalar geliştirilmiş olsa da, bazıları teorik önemleri veya önemli miktarlarda üretilmiş olmaları nedeniyle öne çıkmaktadır.

Herhangi bir önemli karmaşıklığa sahip en pratik mekanik analog bilgisayarlar, değişkenleri bir mekanizmadan diğerine taşımak için dönen şaftlar kullandı. Kablolar ve makaralar , tek tek harmonik bileşenleri toplayan bir gelgit tahmin makinesi olan Fourier sentezleyicide kullanıldı . Pek bilinmeyen başka bir kategori, hassas kremayer ve pinyonlara sahip sadece giriş ve çıkış için döner şaftlar kullandı. Raflar, hesaplamayı gerçekleştiren bağlantılara bağlandı. 1950'lerin sonlarında Librascope tarafından yapılan en az bir ABD Donanması sonar ateş kontrol bilgisayarı, Mk. 56 Silah Atış Kontrol Sistemi.

Çevrimiçi olarak, yangın kontrol bilgisayar mekanizmalarını açıklayan oldukça net bir şekilde resimli referans (OP 1140) bulunmaktadır. Toplama ve çıkarma için, bazı bilgisayarlarda hassas gönye-dişli diferansiyelleri yaygın olarak kullanılıyordu; Ford Instrument Mark I Ateş Kontrol Bilgisayarı yaklaşık 160 tanesini içeriyordu.

Başka bir değişkene göre entegrasyon, bir değişken tarafından sürülen dönen bir disk tarafından yapıldı. Çıktı, disk üzerinde ikinci değişkenle orantılı bir yarıçapa yerleştirilmiş bir toplama cihazından (tekerlek gibi) geldi. (Küçük silindirler tarafından desteklenen bir çift çelik bilyeli bir taşıyıcı özellikle iyi çalıştı. Ekseni diskin yüzeyine paralel olan bir silindir çıktıyı sağladı. Bir yay ile bilye çiftine karşı tutuldu.)

Bir değişkenin keyfi işlevleri, takipçi hareketini mil dönüşüne dönüştürmek için dişli çarklarla birlikte kamlar tarafından sağlandı.

İki değişkenli fonksiyonlar üç boyutlu kamlarla sağlandı. İyi bir tasarımda, değişkenlerden biri kamı döndürdü. Yarım küre şeklindeki bir takipçi, taşıyıcısını kamın dönen eksenine paralel bir eksen üzerinde hareket ettirdi. Dönme hareketi çıktıydı. İkinci değişken, takipçiyi kamın ekseni boyunca hareket ettirdi. Bir pratik uygulama, topçulukta balistikti.

Kutuptan dikdörtgene koordinat dönüşümü, mekanik bir çözümleyici (ABD Donanması yangın kontrol bilgisayarlarında "bileşen çözücü" olarak adlandırılır) tarafından yapıldı. Ortak bir eksen üzerinde bulunan iki disk, üzerinde pim (kütük mil) bulunan bir kayar blok yerleştirmiştir. Disklerden biri bir yüz kamerasıydı ve yüz kamerasının oluğundaki bloktaki bir takipçi yarıçapı belirledi. Pime daha yakın olan diğer disk, bloğun hareket ettiği düz bir yuva içeriyordu. Giriş açısı ikinci diski döndürdü (değişmeyen bir yarıçap için yüz kam diski, diğer (açı) diskle birlikte döndürüldü; bu düzeltmeyi bir diferansiyel ve birkaç dişli yaptı).

Mekanizmanın çerçevesine bakıldığında, pimin konumu, açı ve büyüklük girişleriyle temsil edilen vektörün ucuna karşılık geldi. Bu pime kare bir blok monte edildi.

Doğrusal koordinat çıkışları (tipik olarak hem sinüs hem de kosinüs), her biri az önce bahsedilen bloğa oturan iki oluklu plakadan geldi. Plakalar düz çizgiler halinde hareket etti, bir plakanın hareketi diğerine dik açılarda. Yuvalar hareket yönüne dik açıdaydı. Her plaka, kendi başına, buhar motoru meraklıları tarafından bilinen bir İskoç boyunduruğu gibiydi .

II. Dünya Savaşı sırasında, benzer bir mekanizma doğrusal olarak kutupsal koordinatlara dönüştürüldü, ancak özellikle başarılı olmadı ve önemli bir yeniden tasarımda ortadan kaldırıldı (USN, Mk. 1 ila Mk. 1A).

Çarpma, benzer dik üçgenlerin geometrisine dayalı mekanizmalarla yapıldı. Bir dik üçgen, özellikle zıt, bitişik ve hipotenüs için trigonometrik terimler kullanılarak, bitişik kenar yapım yoluyla sabitlendi. Bir değişken karşı tarafın büyüklüğünü değiştirdi. Çoğu durumda, bu değişken işaret değiştirdi; hipotenüs bitişik tarafla çakışabilir (sıfır girdi) veya bir işaret değişikliğini temsil eden bitişik tarafın ötesine geçebilir.

Tipik olarak, (tetik tanımlı) karşı tarafa paralel hareket eden pinyonla çalışan bir kremayer, hipotenüs ile çakışan bir yuvaya sahip bir sürgüyü konumlandıracaktır. Raftaki bir pivot, slaydın açısının serbestçe değişmesine izin verir. Sürgünün diğer ucunda (açı, trig.), çerçeveye sabitlenmiş bir pim üzerindeki bir blok, hipotenüs ile bitişik taraf arasındaki tepe noktasını tanımladı.

Bitişik kenar boyunca herhangi bir mesafede, ona dik olan bir doğru hipotenüsü belirli bir noktada keser. Bu nokta ile bitişik kenar arasındaki mesafe, 1 köşeden uzaklığın ve 2 karşı tarafın büyüklüğünün çarpımı olan bir kesirdir .

Bu tür çarpandaki ikinci giriş değişkeni, bitişik tarafa dik oluklu bir plakayı konumlandırır. Bu yuva bir blok içerir ve bu bloğun yuvasındaki konumu, hemen yanındaki başka bir blok tarafından belirlenir. Sonuncusu hipotenüs boyunca kayar, böylece iki blok (tetik) bitişik taraftan ürünle orantılı bir miktarda bir mesafede konumlandırılır.

Ürünü bir çıktı olarak sağlamak için üçüncü bir eleman, başka bir oluklu levha da teorik üçgenin (trig.) karşı tarafına paralel hareket eder. Her zamanki gibi, yuva hareket yönüne diktir. Yuvasında hipotenüs bloğuna döndürülen bir blok onu konumlandırır.

Yalnızca orta düzeyde bir doğruluğun gerekli olduğu bir noktada kullanılan özel bir entegratör türü, bir disk yerine çelik bir bilyeye dayanıyordu. Biri topu döndürmek, diğeri ise topun dönme ekseninin açısını tanımlamak için iki girişi vardı. Bu eksen her zaman, yuvarlanan bilyeli bir bilgisayar faresinin mekanizmasına oldukça benzeyen iki hareketli toplama silindirinin eksenlerini içeren bir düzlemdeydi (bu mekanizmada, toplama silindirleri kabaca topla aynı çaptaydı) . Toplama silindiri eksenleri dik açılardaydı.

Toplama düzleminin "üstünde" ve "altında" bir çift silindir, birbirine dişli dönen tutuculara monte edildi. Bu dişli, açı girişi tarafından tahrik edildi ve topun dönen eksenini oluşturdu. Diğer giriş, topun dönmesini sağlamak için "alt" silindiri döndürdü.

Temel olarak, bileşen entegratörü olarak adlandırılan mekanizmanın tamamı, bir açı girişinin yanı sıra bir hareket girişi ve iki çıkışı olan değişken hızlı bir sürücüydü. Açı girişi, giriş açısının sinüs ve kosinüsüne göre "hareket" girişi ile çıkışlar arasındaki bağlantı oranını (ve yönünü) değiştirmiştir.

Herhangi bir hesaplama yapmamalarına rağmen, elektromekanik konum servoları, "döner şaft" tipindeki mekanik analog bilgisayarlarda, sonraki hesaplama mekanizmalarının girişlerine çalışma torku sağlamak ve ayrıca büyük tork gibi çıkış veri iletim cihazlarını çalıştırmak için gerekliydi. - donanma bilgisayarlarındaki verici senkronizasyonları.

Doğrudan hesaplamanın bir parçası olmayan diğer okuma mekanizmaları, dahili değişkenleri göstermek için enterpolasyonlu tambur kadranlarına sahip dahili kilometre sayacı benzeri sayaçları ve mekanik çok dönüşlü limit durdurmaları içeriyordu.

Analog atış kontrol bilgisayarlarında hassas bir şekilde kontrol edilen dönüş hızının doğruluğunun temel bir unsuru olduğu düşünüldüğünde, ortalama hızı bir denge çarkı, saç yayı, mücevherli yataklı diferansiyel, çift loblu bir kam ve yay ile kontrol edilen bir motor vardı. yüklenmiş kontaklar (bu bilgisayarlar tasarlanırken geminin AC güç frekansının doğru veya yeterince güvenilir olması gerekmez).

Elektronik analog bilgisayarlar

EAI 8800 analog bilgisayarın anahtarlama kartı (önden görünüm)

Elektronik analog bilgisayarlar tipik olarak, sorun kurulumunu tanımlayan ara bağlantıları oluşturmak için bağlantı kablolarına (her iki ucunda fişli esnek teller) izin veren çok sayıda jak (tek kontaklı soket) içeren ön panellere sahiptir. Ek olarak, ölçek faktörlerini ayarlamak (ve gerektiğinde değiştirmek) için hassas yüksek çözünürlüklü potansiyometreler (değişken dirençler) vardır. Ek olarak, genellikle orta doğrulukta voltaj ölçümü için sıfır merkezli analog işaretçi tipi bir sayaç vardır. Kararlı, doğru voltaj kaynakları bilinen büyüklükleri sağlar.

Tipik elektronik analog bilgisayarlar, matematiksel işlemleri gerçekleştirdikleri için adlandırılan birkaç ila yüz veya daha fazla işlemsel yükselteç ("op amper") içerir. Op amp'ler, çok yüksek kazanç ve kararlı girişe (düşük ve kararlı ofset) sahip belirli bir geri besleme amplifikatörü türüdür. Her zaman, operasyonda giriş bileşenlerinden gelen akımları neredeyse tamamen iptal eden hassas geri besleme bileşenleri ile kullanılırlar. Temsili bir kurulumdaki op amp'lerin çoğu, analog voltajları ekleyen ve çıkaran ve sonucu çıkış jaklarında sağlayan toplama amplifikatörleridir. Ayrıca, kapasitör geri beslemeli op amperler genellikle bir kuruluma dahil edilir; girdilerinin toplamını zamana göre bütünleştirirler.

Başka bir değişkene göre entegrasyon, mekanik analog entegratörlerin neredeyse özel alanıdır; elektronik analog bilgisayarlarda neredeyse hiç yapılmaz. Ancak, bir problemin çözümü zamanla değişmediği için zaman değişkenlerden biri olarak hizmet edebilir.

Diğer bilgi işlem öğeleri, analog çarpanları, doğrusal olmayan fonksiyon üreteçlerini ve analog karşılaştırıcıları içerir.

Elektriksel analog bilgisayarlarda kullanılan indüktörler ve kapasitörler gibi elektriksel elemanların ideal olmayan etkileri azaltmak için dikkatli bir şekilde üretilmesi gerekiyordu. Örneğin, AC güç ağı analizörlerinin yapımında , hesap makinesi için (gerçek güç frekansı yerine) daha yüksek frekanslar kullanmanın bir nedeni, daha yüksek kaliteli indüktörlerin daha kolay yapılabilmesiydi. Birçok genel amaçlı analog bilgisayar, indüktörlerin kullanımından tamamen kaçınarak, yüksek kaliteli kapasitörlerin yapılması nispeten kolay olduğundan, sorunu yalnızca dirençli ve kapasitif elemanlar kullanılarak çözülebilecek bir biçimde yeniden şekillendirdi.

Analog bilgisayarlarda elektriksel özelliklerin kullanılması, hesaplamaların normal olarak gerçek zamanlı (veya daha hızlı), çoğunlukla işlemsel yükselteçlerin ve diğer hesaplama elemanlarının frekans yanıtı tarafından belirlenen bir hızda gerçekleştirildiği anlamına gelir . Elektronik analog bilgisayarların tarihinde bazı özel yüksek hızlı türleri vardı.

Doğrusal olmayan fonksiyonlar ve hesaplamalar, fonksiyon üreteçleri (doğrusal olmamayı sağlamak için çeşitli direnç ve diyot kombinasyonlarından oluşan özel devreler ) tasarlanarak sınırlı bir hassasiyetle (üç veya dört basamaklı) oluşturulabilir . Tipik olarak, giriş voltajı arttıkça, giderek daha fazla diyot iletken olur.

Sıcaklık için telafi edildiğinde, bir transistörün taban-yayıcı bağlantısının ileri voltaj düşüşü, kullanışlı bir şekilde doğru logaritmik veya üstel bir işlev sağlayabilir. Op amp'ler, çıkış voltajını bilgisayarın geri kalanıyla kullanılabilecek şekilde ölçeklendirir.

Bazı hesaplamaları modelleyen herhangi bir fiziksel süreç, bir analog bilgisayar olarak yorumlanabilir. Analog hesaplama kavramını göstermek amacıyla icat edilen bazı örnekler, sıralama sayıları modeli olarak bir spagetti demetini kullanmayı ; bir dizi noktanın dışbükey gövdesini bulma modeli olarak bir tahta, bir çivi seti ve bir lastik bant ; ve bir ağdaki en kısa yolu bulma modeli olarak birbirine bağlanmış diziler. Bunların hepsi Dewdney'de (1984) anlatılmıştır .

Bileşenler

Beş birimden oluşan 1960 Newmark analog bilgisayar. Bu bilgisayar diferansiyel denklemleri çözmek için kullanıldı ve şu anda Cambridge Teknoloji Müzesi'nde bulunuyor .

Analog bilgisayarlar genellikle karmaşık bir çerçeveye sahiptir, ancak özünde hesaplamaları gerçekleştiren bir dizi anahtar bileşene sahiptir. Operatör bunları bilgisayarın çerçevesi aracılığıyla yönetir.

Anahtar hidrolik bileşenler boruları, valfleri ve kapları içerebilir.

Temel mekanik bileşenler, bilgisayar içinde veri taşımak için dönen milleri, gönye dişli diferansiyellerini , disk/bilya/silindir entegratörlerini, kamları (2-D ve 3-D), mekanik çözücüleri ve çarpanları ve tork servolarını içerebilir.

Önemli elektrikli/elektronik bileşenler şunları içerebilir:

Bir elektrikli analog bilgisayarda kullanılan temel matematiksel işlemler şunlardır:

Bazı analog bilgisayar tasarımlarında çarpma, bölmeye tercih edilir. Bölme, bir İşlemsel Yükselteç'in geri besleme yolunda bir çarpan ile gerçekleştirilir.

Zamana göre farklılaştırma sıklıkla kullanılmaz ve pratikte mümkün olduğunda problem yeniden tanımlanarak önlenir. Frekans alanında yüksek geçişli bir filtreye karşılık gelir, bu da yüksek frekanslı gürültünün güçlendirildiği anlamına gelir; farklılaşma aynı zamanda istikrarsızlığı da beraberinde getirir.

sınırlamalar

Genel olarak, analog bilgisayarlar ideal olmayan etkilerle sınırlıdır. Bir analog sinyal dört temel bileşenden oluşur: DC ve AC büyüklükleri, frekans ve faz. Bu özelliklerdeki gerçek menzil sınırları analog bilgisayarları sınırlar. Bu limitlerden bazıları, işlemsel yükselteç ofseti, sonlu kazanç ve frekans tepkisi, gürültü tabanı , doğrusal olmama durumu , sıcaklık katsayısı ve yarı iletken aygıtlardaki parazitik etkileri içerir . Ticari olarak temin edilebilen elektronik bileşenler için, giriş ve çıkış sinyallerinin bu yönlerinin aralıkları her zaman liyakat rakamlarıdır .

Reddetmek

1950'lerden 1970'lere kadar, önce vakum tüplerine, transistörlere, entegre devrelere ve ardından mikro işlemcilere dayanan dijital bilgisayarlar daha ekonomik ve hassas hale geldi. Bu, dijital bilgisayarların büyük ölçüde analog bilgisayarların yerini almasına yol açtı. Buna rağmen, analog hesaplamada bazı araştırmalar hala yapılmaktadır. Birkaç üniversite, kontrol sistemi teorisini öğretmek için hala analog bilgisayarlar kullanıyor . Amerikan şirketi Comdyna küçük analog bilgisayarlar üretti. Indiana Üniversitesi Bloomington'da Jonathan Mills, bir köpük tabakadaki örnekleme voltajlarına dayalı Genişletilmiş Analog Bilgisayarı geliştirdi. Harvard Robotik Laboratuvarı'nda analog hesaplama bir araştırma konusudur. Lyric Semiconductor'ın hata düzeltme devreleri analog olasılık sinyalleri kullanır. Slayt kuralları , uçak personeli arasında hala popülerdir.

diriliş

Gelişmesiyle birlikte çok-büyük ölçekli entegrasyon (VLSI) teknolojisi, Columbia Üniversitesi'nde Yannis Tsividis' grup analog / melez bilgisayarlar standart CMOS işleminde tasarım yeniden ziyaret olmuştur. 2005 yılında Glenn Cowan tarafından 80. dereceden bir analog bilgisayar (250 nm) ve 2015 yılında Ning Guo tarafından geliştirilen 4. . Glenn'in çipi, entegratörler, çarpanlar, fanout'lar, birkaç doğrusal olmayan blok olmak üzere 25 analog hesaplama bloğunun bulunduğu 16 makro içerir. Ning'in çipi, entegratörler, çarpanlar, fanout'lar, ADC'ler, SRAM'ler ve DAC'ler dahil olmak üzere 26 bilgi işlem bloğunun bulunduğu bir makro bloğu içerir. Keyfi doğrusal olmayan fonksiyon üretimi, SRAM bloğunun doğrusal olmayan fonksiyon verilerini depoladığı ADC+SRAM+DAC zinciri tarafından mümkün kılınır. İlgili yayınlardan elde edilen deneyler, VLSI analog/hibrit bilgisayarların, hem çözüm süresi hem de enerjide yaklaşık 1-2 derecelik bir avantaj sergilediğini ve %5'lik bir doğruluk oranı elde ettiğini ortaya koydu; bu, alanda analog/hibrit hesaplama tekniklerinin kullanılması vaadine işaret ediyor. enerji verimli yaklaşık hesaplama. 2016 yılında, bir araştırma ekibi analog devreleri kullanarak diferansiyel denklemleri çözmek için bir derleyici geliştirdi .

2020'de anabrid GmbH şirketi , çipleri klasik programcılar için şeffaf bir şekilde kullanılabilir hale getirmek için çip üzerinde yeniden yapılandırılabilir bir analog bilgisayar ve tam yığın bir yazılım ekosistemi geliştirmek üzere Almanya'da kuruldu. Şirket , lise, üniversite ve hobi bağlamında analog hesaplamayı desteklemek için THE ANALOG THING adlı küçük ama güçlü bir analog bilgisayar geliştirdi . THE ANALOG THING , analog bilgi işlemle ilgilenen herkes tarafından kullanılabilen ve genişletilebilen açık bir donanım projesidir.

pratik örnekler

X-15 simülatör analog bilgisayar

Bunlar, oluşturulmuş veya pratik olarak kullanılan analog bilgisayar örnekleridir:

Analog (ses) sentezleyiciler aynı zamanda bir analog bilgisayar biçimi olarak da görülebilir ve onların teknolojisi başlangıçta kısmen elektronik analog bilgisayar teknolojisine dayanıyordu. Arp 2600 'in halka Modülatör aslında bir orta doğruluk analog çarpma oldu.

Simülasyon Konseyi (veya Simülasyon Konseyi), ABD'deki analog bilgisayar kullanıcılarının bir birliğiydi. Şimdi Uluslararası Modelleme ve Simülasyon Derneği olarak biliniyor. 1952'den 1963'e kadar Simülasyon Konseyi haber bültenleri çevrimiçi olarak mevcuttur ve o zamanki endişeleri ve teknolojileri ve füze için analog bilgisayarların yaygın kullanımını gösterir.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

  • AK Dewdney. "On the Spaghetti Computer and Other Analog Gadgets for Problem Solving", Scientific American , 250(6):19–26, Haziran 1984. The Koltuk Evreninde yeniden basılmıştır , AK Dewdney tarafından, WH Freeman & Company (1988), ISBN  tarafından yayınlanmıştır. 0-7167-1939-8 .
  • Universiteit van Amsterdam Bilgisayar Müzesi. (2007). Analog Bilgisayarlar .
  • Jackson, Albert S., "Analog Hesaplama". Londra ve New York: McGraw-Hill, 1960. OCLC  230146450

Dış bağlantılar