Una computadora analógica o una computadora analógica ( AVM ) es una computadora que representa datos numéricos utilizando parámetros físicos analógicos ( velocidad , longitud , voltaje , corriente , presión ), que es su principal diferencia con una computadora digital . Otra diferencia fundamental es la falta de un programa almacenado en la computadora, bajo el control del cual una misma computadora puede resolver varios problemas. La tarea a resolver (clase de tareas) está estrictamente determinada por la estructura interna del AVM y los ajustes realizados (conexiones, módulos instalados, válvulas, etc.). Incluso para AVM universales, resolver un nuevo problema requería una reestructuración de la estructura interna del dispositivo.
Nota: a modo de comparación, se indican las etapas individuales en el desarrollo de dispositivos informáticos digitales.
Se considera que uno de los dispositivos analógicos más antiguos es el mecanismo de Antikythera , un dispositivo mecánico descubierto en 1902 en un antiguo barco hundido cerca de la isla griega de Antikythera . Datado alrededor del año 100 a. mi. (quizás antes del 150 a. C.). Conservado en el Museo Arqueológico Nacional de Atenas .
Los astrólogos y astrónomos utilizaron el astrolabio analógico desde el siglo IV a. C. hasta el siglo XIX d. C. Este instrumento se utilizó para determinar la posición de las estrellas en el cielo y calcular la duración del día y la noche. El descendiente moderno del astrolabio es el planisferio , un mapa móvil del cielo estrellado utilizado con fines educativos.
En funcionamiento, una computadora analógica simula un proceso de cálculo, mientras que las características que representan los datos digitales cambian constantemente con el tiempo.
El resultado de una computadora analógica son gráficos representados en papel o en la pantalla de un osciloscopio , o una señal eléctrica que se usa para controlar un proceso o un mecanismo.
Estas computadoras son ideales [6] para el control automático de los procesos de producción, porque responden instantáneamente [6] a varios cambios en los datos de entrada. Sin embargo, la velocidad general de su trabajo es baja, ya que los cálculos se basan en gran medida en transitorios en componentes reactivos y también están limitados por la banda de frecuencia y la capacidad de carga de los amplificadores operacionales. Tales computadoras fueron ampliamente utilizadas en la investigación científica . Por ejemplo, en experimentos en los que dispositivos eléctricos o mecánicos económicos son capaces de simular las situaciones en estudio.
En varios casos, con la ayuda de computadoras analógicas, es posible resolver problemas con menos preocupación por la precisión de los cálculos que cuando se escribe un programa para una computadora digital. Por ejemplo, para computadoras analógicas electrónicas, las tareas que requieren la solución de ecuaciones diferenciales , la integración o la diferenciación se implementan sin problemas . Para cada una de estas operaciones se utilizan circuitos y nodos especializados, generalmente con el uso de amplificadores operacionales . Además, la integración se implementa fácilmente en máquinas analógicas hidráulicas.
Todos los bloques funcionales de las computadoras analógicas se pueden dividir en varios grupos:
Las AVM universales, por regla general, contienen en su composición:
También usado:
El factor de calidad de AVM es una característica generalizada de una computadora analógica, calculada por la fórmula:
,donde es el valor máximo posible de la variable máquina, es el límite inferior del valor posible de la variable máquina. Los límites generalmente se determinan experimentalmente. El valor numérico depende del nivel de interferencia, errores de los bloques funcionales analógicos , precisión del equipo de medición utilizado. El factor de calidad de los AVM potentes supera [6] .
Todas las MAV se pueden dividir en dos grupos principales:
Una computadora analógica en la que las variables de la máquina se reproducen mediante movimientos mecánicos. A la hora de resolver problemas sobre un AVM de este tipo, es necesario, además del escalado de variables, realizar un cálculo de fuerzas de la estructura y cálculo de movimientos muertos. Las ventajas de las MAV mecánicas son su alta fiabilidad y reversibilidad, lo que permite reproducir operaciones matemáticas directas e inversas. Las desventajas de este tipo de AVM son el alto costo, la complejidad de fabricación, las grandes dimensiones y el peso, así como un bajo coeficiente de eficiencia en el uso de unidades de cómputo individuales. Los AVM mecánicos se utilizan en la construcción de dispositivos informáticos altamente fiables [6] .
El nombre general para las estructuras de flujo (neumáticas e hidráulicas) diseñadas para tareas de cálculo, etc. es neumónica (ver Lógica de chorro ) [7] .
Neumática AVMUna computadora analógica en la que las variables se representan como presiones de aire ( gas ) en varios puntos en una red especialmente construida. Los elementos de tal AVM son estranguladores , tanques y membranas. Los estranguladores desempeñan el papel de resistencias, pueden ser constantes, variables, no lineales y ajustables. Los contenedores neumáticos son cámaras ciegas o de flujo, cuya presión, debido a la compresibilidad del aire , aumenta a medida que se llenan. Las membranas se utilizan para convertir la presión del aire. El AVM neumático puede incluir amplificadores , sumadores , integradores, convertidores funcionales y dispositivos multiplicadores, que se conectan entre sí mediante accesorios y mangueras . Los AVM neumáticos son inferiores en velocidad a los electrónicos. En promedio, los elementos móviles de tal AVM tienen un tiempo de respuesta de alrededor de una décima de milisegundo, por lo tanto, pueden pasar frecuencias del orden de 10 kHz . Dichos AVM se distinguen por errores significativos, por lo tanto, se usan donde no se pueden usar otros tipos de computadoras: en ambientes explosivos, en ambientes con altas temperaturas, en sistemas automáticos de producción química. Debido a su bajo costo y alta confiabilidad, estos AVM también se utilizan en metalurgia, ingeniería de energía térmica, industria del gas, etc. [6]
En la década de 1960, se desarrollaron para obtener un medio de computación discreta con alta dureza de radiación . Se desarrollaron elementos que realizan operaciones lógicas básicas y elementos de memoria sin elementos mecánicos móviles.
Dichos elementos son muy duraderos, ya que prácticamente no tienen partes móviles y, como resultado, no hay nada que romper. En caso de obstrucción de los canales, las matrices lógicas se pueden desmontar y lavar fácilmente. El ordenador neumático está alimentado por una red neumática industrial. Las matrices lógicas se estampan fácilmente en máquinas de moldeo por inyección de plástico. Para casos especiales, la matriz puede ser de cerámica refractaria, fundición u otra aleación.
Ahora, las computadoras neumáticas se utilizan en industrias que requieren una mayor resistencia a la vibración, un rendimiento en un rango de temperatura muy amplio o la necesidad de controlar dispositivos de energía neumática. En este último caso, se elimina la necesidad de convertidores eléctricos de señal a desplazamiento (convertidor electroneumático + posicionador ). Estos son robots y automatización que trabajan en metalurgia, en la industria minera. Hay casos conocidos de elementos de control de motores de aviones, sistemas de misiles automáticos, accionamientos de potencia de helicópteros y aviones.
También existe toda una categoría de industrias, unidades e instalaciones en las que el uso de la electricidad, incluso en los voltajes más bajos, es muy indeseable. Estos son la química de compuestos orgánicos, refinerías de petróleo, minería subterránea de carbón y minerales. Hacen un amplio uso de la automatización neumática .
AVM hidráulicosV. S. Lukyanov en 1934 propuso el principio de las analogías hidráulicas y en 1936 implementó el primer " integrador hidráulico ", un dispositivo diseñado para resolver ecuaciones diferenciales, cuyo funcionamiento se basa en el flujo de agua. Posteriormente, dichos dispositivos se utilizaron en decenas de organizaciones y se utilizaron hasta mediados de la década de 1980 [8] [9] .
Las primeras copias eran bastante experimentales, hechas de estaño y tubos de vidrio, y cada una podía usarse para una sola tarea.
En 1941, Lukyanov creó un integrador hidráulico de diseño modular, que hizo posible ensamblar una máquina para resolver varios problemas.
En 1949, William Phillips creó la computadora hidráulica MONIAC , enfocada en modelar flujos financieros.
En 1949-1955, el Instituto NIISCHETMASH desarrolló un integrador en forma de bloques unificados estándar. En 1955, en la planta de máquinas analíticas y de cálculo de Ryazan, comenzó la producción en serie de integradores con la marca de fábrica "IGL" (integrador de sistemas hidráulicos de Lukyanov).
Actualmente, dos hidrointegradores Lukyanov se encuentran almacenados en el Museo Politécnico [8] .
AVM eléctricasSe trata de ordenadores analógicos en los que las variables están representadas por una tensión eléctrica continua. Son muy utilizados por su alta fiabilidad, rapidez, facilidad de manejo y obtención de resultados.
MAV combinadas MAV electromecánicosUn ejemplo de una AVM combinada es una AVM electromecánica, en la que las variables de la máquina son cantidades mecánicas (generalmente ángulo de rotación) y eléctricas (generalmente voltaje). Los transformadores rotativos y los tacogeneradores son específicos para este tipo de AVM. Los AVM de este tipo son menos fiables que los mecánicos debido a la presencia de contactos deslizantes.
AVM de tipo matricial (máquina analógica de grupo) es una máquina analógica en la que las unidades informáticas simples individuales están conectadas rígidamente en grupos típicos idénticos. Se utiliza principalmente para modelar ecuaciones diferenciales . En este caso, el problema primero debe reducirse a un sistema de ecuaciones diferenciales de primer orden equivalente a él. Cada grupo típico de elementos computacionales se utiliza para modelar una ecuación. Una AVM de tipo matricial necesita un cierto proceso de escalado, en el que los valores de los coeficientes de una columna de la matriz deben tener el mismo orden. El conjunto de tareas en tales AVM se reduce a establecer los coeficientes y las condiciones iniciales. La desventaja de AVM de este tipo es la baja eficiencia del uso de bloques individuales. Este tipo de MAV incluye principalmente MAV mecánicas [6] .
AVM de tipo estructuralMáquina analógica de funcionamiento estructural, en la que las unidades de cómputo más simples se interconectan de acuerdo con las operaciones matemáticas de la ecuación que se resuelve. Se utiliza para el modelado matemático.
AVM con periodización, con repetición de la solución: una computadora analógica en la que las etapas de resolución de problemas se repiten automáticamente mediante un sistema de conmutación. El límite de tasa de repetición está determinado por las características de frecuencia de los elementos de decisión. Los elementos de computación de AVM de simple acción (amplificadores operacionales, convertidores funcionales, etc.) son adecuados para su uso en AVM con periodización. En tales AVM, se utilizan integradores con una pequeña constante de tiempo. El diseño de AVM de alta velocidad es más complejo que el de un AVM de acción simple, ya que se utilizan circuitos especiales para descargar capacitores al final de un ciclo y circuitos para ingresar automáticamente valores iniciales al comienzo de cada ciclo de cómputo. La mayor ventaja de este tipo de AVM es la capacidad de observar el cambio en el resultado en función de los parámetros en tiempo real. Los AVM de alta velocidad se utilizan para aproximar la función de transferencia de un sistema físico a partir de una familia de sus respuestas transitorias, para resolver problemas de valores límite, calcular la integral de Fourier y realizar análisis de correlación .
AVM lentoUna computadora analógica de acción simple que utiliza integradores con constantes de tiempo relativamente grandes. La solución de problemas típicos en tales AVM dura desde varios segundos hasta varios minutos. En este caso, el resultado de cambiar los parámetros solo se puede corregir después de completar todos los ciclos computacionales [6] .
AVM iterativoUna computadora analógica que lleva a cabo el proceso de resolución de un problema de manera iterativa durante un cierto número de iteraciones . La especificidad de tal AVM hace posible controlar el curso de los cálculos en momentos dados. Por ejemplo, es posible procesar valores de las salidas de integradores y enviar información de un ciclo a otro, dependiendo de las condiciones [6] .
Las computadoras electrónicas analógicas se basan en configurar las características físicas de sus componentes. Esto generalmente se hace encendiendo y apagando algunos elementos de los circuitos que conectan estos elementos con cables y cambiando los parámetros de resistencias variables , capacitancias e inductancias en los circuitos.
Una transmisión automática automotriz es un ejemplo de una computadora analógica hidromecánica en la que, a medida que cambia el par, el fluido en el accionamiento hidráulico cambia de presión, lo que permite obtener la relación de transmisión final deseada.
Antes de la llegada de equipos digitales potentes y confiables, las computadoras analógicas se usaban ampliamente en la aviación y la tecnología de cohetes, para el procesamiento operativo de diversa información y la posterior generación de señales de control en pilotos automáticos y varios sistemas de control de vuelo automático más complejos u otros procesos especializados. .
Además de las aplicaciones técnicas (transmisiones automáticas, sintetizadores musicales ), las computadoras analógicas se utilizan para resolver problemas computacionales específicos de carácter práctico. Por ejemplo, la computadora analógica mecánica de leva que se muestra en la foto se usó en la construcción de locomotoras para aproximar curvas de cuarto orden usando transformadas de Fourier .
Las computadoras mecánicas se utilizaron en los primeros vuelos espaciales y mostraban información utilizando el indicador de desplazamiento de la superficie. Desde el primer vuelo espacial tripulado hasta 2002, todas las naves espaciales soviéticas y rusas tripuladas de las series Vostok , Voskhod y Soyuz estaban equipadas con una computadora Globus que mostraba el movimiento de la Tierra a través del desplazamiento de una copia en miniatura del globo y datos sobre latitud y longitud . 10] .
En tecnología militar, históricamente se ha desarrollado otro nombre para dispositivos informáticos analógicos para control de fuego de artillería, bombardeos a gran altura y otras tareas militares que requieren cálculos complejos: este es un dispositivo de cálculo . Un ejemplo es un dispositivo de control de fuego antiaéreo .
La tecnología analógica es interesante para los militares de dos maneras: es extremadamente rápida y, en condiciones de interferencia, el rendimiento de la máquina se restablecerá tan pronto como desaparezca la interferencia.
Ahora las computadoras analógicas han dado paso a tecnologías digitales, sistemas de automatización y procesamiento de señales basados en algunos chips FPGA para señales digitales y analógicas “mixtas”.
Los dispositivos informáticos analógicos incluyen:
FERMIAC es una computadora analógica inventada por el físico Enrico Fermi en 1946 para ayudar en su investigación. El método Monte Carlo se utilizó para simular el movimiento de neutrones en varios tipos de sistemas nucleares. Dada la distribución inicial de neutrones, el objetivo del modelado es desarrollar numerosas "genealogías de neutrones", o modelos del comportamiento de neutrones individuales, incluida cada colisión, dispersión y fisión nuclear . En cada etapa, se utilizaron números pseudoaleatorios para tomar decisiones sobre el comportamiento de los neutrones , "generados" por la configuración de los tambores de un dispositivo determinado.
"Iterator" es un AVM especializado diseñado para resolver problemas de valores límite lineales para sistemas de ecuaciones diferenciales lineales . Desarrollado en el Instituto de Cibernética de la Academia de Ciencias de la RSS de Ucrania en 1962 .
"Iterator" resuelve el problema del valor límite mediante el método iterativo de Newton , reduciéndolo a resolver varias ecuaciones diferenciales con condiciones iniciales dadas. Este algoritmo consiste en determinar la matriz de primeras derivadas con respecto a las componentes del vector de condiciones iniciales y buscar automáticamente una solución al problema de valores en la frontera utilizando esta matriz. Gracias al método aplicado, se asegura la convergencia del proceso iterativo con un determinado error de decisión admisible en tres o cuatro iteraciones.
Además de sistemas de ecuaciones diferenciales con coeficientes constantes y variables de 2º orden con condiciones de frontera lineales, "Iterator" resuelve sistemas de ecuaciones algebraicas lineales de nº orden con una matriz arbitraria de coeficientes.
CaracterísticasFamilia de computadoras analógicas. El nombre es una abreviatura de las palabras "modelo no lineal". Fueron diseñados para resolver problemas de Cauchy para ecuaciones diferenciales ordinarias . El representante más perfecto de esta serie de máquinas fue la máquina MN-18 , una AVM de potencia media, diseñada para resolver sistemas dinámicos complejos descritos por ecuaciones diferenciales hasta el décimo orden como parte de un sistema informático analógico-digital o independientemente por matemática . métodos de modelado . El esquema de control permite el lanzamiento simultáneo y separado de integradores por grupos, resolución de problemas de una sola vez y resolución de problemas repetitivos. Es posible combinar hasta cuatro máquinas MN-18 en un solo complejo.
Características del MH-18Véase también el artículo MH-10 .
El cerebro humano es el "dispositivo analógico" más poderoso y eficiente que existe. Y aunque la transmisión de los impulsos nerviosos se produce por señales discretas, la información en el sistema nervioso no se representa en forma digital. Las neurocomputadoras son computadoras híbridas analógicas (modelos implementados en computadoras digitales) construidas sobre elementos que funcionan de manera similar a las células cerebrales [11] .
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