Аналоговый компьютер

Аналоговый компьютер - компьютер, представляющий числовые данные с помощью аналоговых физических переменных, таких, как скорость, длина или напряжение, в отличие от цифрового представления. Является противоположностью цифровым компьютерам

(с) интернет-энциклопедия

Для большинства сегодняшних ПК-пользователей время, когда компьютеры были большими, а программы маленькими, время перфолент и перфокарт, выглядит какой-то эпохой динозавров. И многие даже не догадываются, что была еще более древняя эпоха - эпоха аналоговых компьютеров. Аналоговый компьютер работает, имитируя то, что он вычисляет; он делает это, непрерывно варьируя свои характеристики. То есть создает аналог процесса, воплощенного в задаче, с которой он имеет дело. Некоторое время аналоговые и цифровые компьютеры даже конкурировали между собой. Архитектура фон Неймана победила главным образом благодаря универсальности и точности вычислений. Если для цифрового компьютера 2 х 2 всегда равно 4, то для аналогового - "4 ± 3%". И эти самые "±" могут зависеть от настроения машины - один раз будет так, а другой раз - по-другому. Но я бы не торопился называть аналоговые компьютеры тупиковой ветвью эволюции. Мало кто знает, что гордость советской ПВО, зенитный комплекс ЗСУ-23-4 "Шилка", для захвата и сопровождения цели использует аналоговый вычислитель - с 1960-х годов и до наших дней. Да и, в конце концов, человеческий мозг - это тоже очень сложный и предельно эффективный аналоговый компьютер.


Суть

Цифровые компьютеры работают конечными шагами. Аналоговые, в отличие от них, оперируют недискретными данными и, соответственно, программируются заданием физических характеристик их компонентов. Типичный пример - автомобильная трансмиссия. Ее программа работы изменяется перемещением ручки переключения передач, что заставляет жидкость в гидроприводе менять направление течения, производя нужный результат. Традиционно различают механические, пневматические, гидравлические, электромеханические и электронные аналоговые вычислительные машины. Но в любом случае аналоговый компьютер - это аппарат, который выполняет арифметические расчеты с числами, представленными физическими величинами. В механических аналоговых компьютерах числа представляются количеством поворотов шестеренок механизма. В электрических аналоговых машинах для представления числа используются различия в напряжении.

К концу своего эволюционного пути аналоговые компьютеры в большинстве своем были механическими или электрическими машинами, способными выполнять операции сложения, вычитания, умножения и деления. Результат их работы отображался в виде графиков, рисуемых на экране осциллографа или на бумаге, или электрического сигнала, используемого для контролирования протекания процесса либо работы механизма. Во второй половине ХХ века, до распространения дешевых и универсальных ПК, именно аналоговые компьютеры были идеально приспособлены для осуществления автоматического контроля за производственными процессами, так как они мгновенно реагируют на изменения во вводимой информации. Чтобы лучше вникнуть в суть понятия "аналоговый компьютер", нужно обратиться к истории считающих машин.

 


Прототипы

Еще древние греки создавали хитроумные механизмы для расчета движения небесных тел - в них нуждались астрологи и мореплаватели. Однако в большинстве справочников первым аналоговым вычислительным устройством называют логарифмическую линейку, которая была изобретена около 1600 года. Следующим этапом стали графики и номограммы - впервые в истории они встречаются в руководствах по навигации в 1791 году. А уже в 1814 году британский учёный Дж. Герман разработал аналоговый прибор планиметр, предназначенный для определения площади, ограниченной замкнутой кривой на плоскости. В середине XIX столетия появился фрикционный интегратор, а на его базе - гармонический анализатор для анализа и предсказывания высоты приливов в различных портах. Он показал принципиальную возможность решения дифференциальных уравнений путём соединения нескольких интеграторов.

Как раз в это время Чарльз Бэббидж в теории описал возможность создания вычислительной машины - знаменитой difference engine, однако сам не поверил в возможность ее воплощения в металле. По его собственным словам, "это было бы слишком сложно". Однако в 1878 году польский математик Абданк-Абаканович разработал теорию интеграфа - аналогового интегрирующего прибора для получения интеграла произвольной функции, вычерченной на плоском графике. Воспользовавшись этой теорией, российский инженер А. Н. Крылов в 1904 году создал первую механическую вычислительную машину для решения дифференциальных уравнений. Она использовалась при проектировании кораблей. ХХ век начался...


ХХ век

Развитие аналоговых компьютеров в США и СССР шло параллельно, и главные шаги были сделаны перед II Мировой войной. В 1930 году американец Ванневар Буш разработал аналоговый компьютер (механическую интегрирующую машину) для расчёта траектории стрельбы корабельных орудий. В 1942 году был создан ее электромеханический вариант. В СССР в 1935 году под руководством инженера Николая Минорского начался выпуск первой советской электродинамической счётно-аналитической машины САМ (модель Т-1). Их выпускал московский завод САМ, построенный в 1930-е. (После войны он стал одним из основных предприятий по выпуску ЭВМ.) Тогда же и там же под руководством Исаака Брука были сконструированы механический интегратор и электрический расчётный стол для определения стационарных режимов энергетических систем.

В 1942-44 годах в США был разработан операционный или "решающий" усилитель - усилитель постоянного тока, имеющий весьма высокий коэффициент усиления. Это позволило создавать аналоговые компьютеры без движущихся частей, на постоянном токе. В СССР в 1945-46 годах под руководством Гутенмахера были созданы первые электронные аналоговые машины с повторением решения. В 1949 году в СССР был построен целый ряд АВМ (аналоговых вычислительных машин) на постоянном токе - для создания советской атомной бомбы требовалось огромное количество вычислений. Эти работы положили начало развитию аналоговой вычислительной техники в СССР.

В 60-х годах аналоговые компьютеры уже могли совершать расчеты с точностью до одной десятитысячной. Это было невероятным успехом, и они на какое-то время стали повседневным инструментом ученых для решения множества специфических задач (таких, как расчет запасов нефти и газа и прогнозирование погоды). В Советском Союзе серийно выпускалось 9 типов электронных аналоговых вычислительных машин; их расцвет пришелся на 60-70-е годы ХХ века. Затем пришли цифровые компьютеры, и история вычислительной техники повернула в совсем другое русло.


Теория аналоговых вычислителей

В системах автоматического управления аналоговые компьютеры используются для вычисления сводных параметров процесса (мощность, производительность и др.). Такому вычислителю заранее задается математическое выражение, определяющее связь сводного параметра или управляющего воздействия с координатами объекта, а АВМ решают соответствующее уравнение. Результат вычислений поступает прямиком на исполнительный механизм (автоматическая регуляция) либо выдается оператору, который и принимает решение о необходимости изменить параметры. Если же управляющая инструкция заранее не определена, а заданы только критерии оптимальности и граничные условия, АВМ служат математической моделью объекта для поиска оптимальной модели управления.

Решающие элементы АВМ делятся на три группы: линейные, нелинейные и логические. Линейные решающие элементы выполняют математические операции суммирования, интегрирования, перемены знака, умножения на постоянную величину и так далее. Нелинейные (функциональные преобразователи) отвечают за нелинейные зависимости, воспроизводя заданную функцию от одного, двух и большего числа аргументов. К логическим решающим элементам относятся устройства непрерывной логики, например, предназначенные для выделения наибольшей или наименьшей из нескольких величин, а также устройства дискретной логики, релейные переключающие схемы и некоторые другие специальные блоки. Все логические устройства обычно объединяются в одном, называемом устройством параллельной логики. Оно снабжается своим наборным полем для соединения отдельных логических устройств между собой и с остальными решающими элементами АВМ.

Главная специфика работы отдельных решающих элементов АВМ - их неточность, в результате чего найденное решение неизбежно имеет погрешности. Результирующая погрешность зависит от характера и особенностей решаемой задачи; эта погрешность увеличивается с ростом числа решающих (особенно нелинейных) элементов, включённых последовательно. На практике при исследовании устойчивых нелинейных систем автоматического управления, если порядок набираемой системы дифференциальных уравнений не выше 10-го, погрешность не превышает нескольких %.


Эпилог

Аналоговые компьютеры отправляли в космос Гагарина, управляли турбинами на гидроэлектростанциях и первыми атомными реакторами, активно использовались военными и создавали звук в музыкальных синтезаторах. Они ушли, уступив место цифровым технологиям. Однако остался один класс аналоговых компьютеров, работа которых пока лежит за гранью понимания современной науки, - биологические компьютеры. Ученые до сих пор не могут толком разобраться, как принимает решения обыкновенная муха, не говоря уже про ее несколько более крупного собрата - человека.

Виктор ДЕМИДОВ

Автор благодарит Большую Советскую Энциклопедию за любезно предоставленную информацию.

Версия для печатиВерсия для печати

Номер: 

11 за 2007 год

Рубрика: 

Вчера
Заметили ошибку? Выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter!
 

Комментарии

Страницы

Аватар пользователя Логик
Не надо путать транзистор (лампа ли это или полупроводник) с АНАЛОГОВЫМ КОМПЬЮТЕРОМ!
Аватар пользователя Инкогнито
>>Это колесо крутится плавно. А линейку крутят в соответствии с делениями

Пытаются. Но "кручение" не есть процесс вычисления, а есть процесс ввода данных, т.е. ЦАП. Вычисление же происходит мгновенно за счет физического (аналогового, не цифрового) сложения длин соответствующих отрезков шкал. Точность этого вычисления гораздо выше, чем та точность, которую обеспечивают твои ЦАП - ввод и АЦП - вывод данных. Но хотя бы теоретически она (точность сложения длин) ограничена типичным размером молекулы, то есть в самом идеале 10 порядками. Точность же цифрового компьютера в сравнении с аналоговым практически безгранична. Напр., сейчас я за 2 секунды вычислил 1000000 знаков квадратного корня из 2 и затем за 5 секунд возвел в квадрат и вывел результат, где все нули кроме первой двойки. Аналоговой процедурой ты не сделаешь и 100 знаков, даже задействовав все честицы в видимой Вселенной. Извиняй, Полковник, обычно я до экзамена не обращаю внимания на студента, упорствующего в невежестве..

>>Компьютер, неважно какой - аналоговый ли, цифровой ли, - прежде всего АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ, а не просто вычислительное устройство. Т.е. устойство, способное САМОСТОЯТЕЛЬНО многогократно повторять предписанные расчёты. Нет?

В данном случае - важно, аналоговый или цифровой, потому что речь именно об этой разнице, а не о компьютере вообще и его отличии от вычислительного устройства вообще. Нет?

Аватар пользователя Инкогнито
Ага, а вот еще забавное. В этом утверждении, оказывается, есть еще один слой, который не сразу бросается в глаза:

>>Компьютер .. прежде всего АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ, а не просто вычислительное устройство. Т.е. устойство, способное САМОСТОЯТЕЛЬНО многогократно повторять предписанные расчёты.

Плохо, Майк, полагаться на однобокие определения как на панацею. Согласно твоему определению логарифмическая линейка не компьютер, а сверхкомпьютер, потому что она за раз выдает тебе теоретически континуум результатов (это ведь больше, чем "многократно", т.е. конечное число). Действительно, когда ты вводишь первый сомножитель 2, т.е. устанавливаешь движок на 2, линейка мгновенно определяет ВСЕ произведения двойки на числа, лежащие в пределах от 1 до 5 (и даже чуть ширше; а для второго сомножителя от 5 до 10 надо бы поставить на двойку другой конец движка). Это таки впечатляет, какая вычислительная мощь! А все потому, что кампутар аналоговый, основанный на свойствах физических реальных объектов, непрерывности там всякой, протяженности, жесткости, и этой.. ээ.. трансляционной инвариантности :)

Аватар пользователя mike
>когда ты ... устанавливаешь движок на 2, линейка мгновенно определяет ВСЕ произведения двойки

Хаха. Т.е., второй операнд не определён? Бегунком двигать не надо? САМ он не ездит - АВТОМАТИЗАЦИИ-то - нэт! И это в простом случае; а ежели что вычислять рутинно, где в формуле сомножителей поболее, да ещё с шагом? То-то ручонки забегают. Вообщем, не дури голову себе и нам, аффтар.

Аватар пользователя Инкогнито
>>Бегунком двигать не надо?

Можно, но не обязательно. Можешь своим орлиным взором окинуть сразу весь континуум результатов :) Это не шутка. Ты же не удивляешься, что методом матиндукции ты орлиным разумом охватываешь сразу бесконечное число утверждений. Так и в данном случае - результаты имеешь сразу, выбирай, что хочешь. А то - операнд.. Ширше мыслить надо.

Аватар пользователя mike
>Можешь своим орлиным взором...

А ещё окинь, ничего не двигая, тем же взором не только двойку; ширше мысли! :)

Аватар пользователя Инкогнито
>>окинь, ничего не двигая, тем же взором не только двойку

Ну и? Не двигая, окинул. Двойка напротив двойки, семерка напротив семерки, 2.72 напротив 2.72... Дык это же аналоговое умножение на единицу _сразу_всех_ вещественных чисел от 1 до 10 (и даже чуть ширше), ничего не делая, только окидывая взором логарифмическую линейку... О сколько, значить, нам открытий чудных... гыыы :)

Аватар пользователя mike
>О сколько, значить, нам открытий чудных... гыыы :)

Берем две метрические линейки, прикладываем друг к дружке, сдвигаем 2 к нулю другой - опля! - получили сложилку с двойкой. Комп! Учитесь у икса демагогии. А если серьезно, то АВТОМАТИЗАЦИЯ всегда предполагает хранение последовательности действий. То же относится и к аналоговому компу, но последовательность сокрыта в его структуре. Впрочем, некоторые аффтары могут считать, как им втемяшится. Гонорар не пахнет.

Аватар пользователя Инкогнито
>>две метрические линейки, прикладываем друг к дружке, сдвигаем 2 к нулю другой - опля! - получили сложилку с двойкой. Комп!

Сов. верно: получаем аналоговое вычислительное устройство - "прибавлятор" двойки. А комп или не комп - это интересная игра в определения, не для меня. Что сегодня комп - завтра хлам.

>>АВТОМАТИЗАЦИЯ всегда предполагает хранение последовательности действий

Например, зашитое в конструкцию. Последовательность действий может оказаться параллельностью действий. Предопределенная структура вычислителя - лог. линейки - дает тебе сразу спектр результатов. Майк, ширше мысли - больше будет ГОНОРАР :)

Аватар пользователя mike
>аналоговое вычислительное устройство - "прибавлятор" двойки.

О, делаешь успехи - именно вычислительное устройство, а не комп, т.к. автоматизации - нэт.

>Последовательность действий может оказаться параллельностью действий.

Словоблудие.

>Майк, ширше мысли.

Не порви извилины-то.

Страницы