Как устроено IT. Пост 2. АВМ - аналоговая вычислительная машина.
Здравствуйте, представляю вашему внимаю третий пост из серии "О том как устроено IT". Но сначала пару новостей. Во-первых, серия из "О том как устроено IT" переименована в "Как устроено IT", это связано со второй новостью. Во-вторых, появился тег "Как устроено IT", можете подписаться на него, для того чтобы видеть посты этой серии. С предисловием на этом все приятного чтения.
Аналоговая вычислительная машина - это вычислительная машина, которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических параметров (скорость, длина, напряжение, сила тока, давление), в чём и состоит его главное отличие от цифровой ЭВМ (электронная вычислительная машина).
Пример АВМ
Другим принципиальным отличием является отсутствие у АВМ хранимой программы, под управлением которой с помощью одной и той же вычислительной машины можно решать разнообразные задачи. Решаемая задача (класс задач) жёстко определяется внутренним устройством АВМ и выполненными настройками (соединениями, установленными модулями, клапанами и т. п.). Даже для универсальных АВМ для решения новой задачи требовалась перестройка внутренней структуры устройства.
При работе аналоговый компьютер имитирует процесс вычисления, при этом характеристики, представляющие цифровые данные, в ходе времени постоянно меняются.
Результатом работы аналогового компьютера являются либо графики, изображённые на бумаге или на экране осциллографа, либо электрический сигнал, который используется для контроля процесса или работы механизма.
Эти компьютеры идеально приспособлены для осуществления автоматического контроля над производственными процессами, потому что они моментально реагируют на различные изменения во входных данных. Такого рода компьютеры широко используются в научных исследованиях. Например, в таких науках, в которых недорогие электрические или механические устройства способны имитировать изучаемые ситуации.
В ряде случаев с помощью аналоговых компьютеров возможно решать задачи, меньше заботясь о точности вычислений, чем при написании программы для цифровой ЭВМ. Например, для электронных аналоговых компьютеров без проблем реализуются задачи, требующие решения дифференциальных уравнений, интегрирования или дифференцирования. Для каждой из этих операций применяются специализированные схемы и узлы, обычно с применением операционных усилителей. Также интегрирование легко реализуется и на гидравлических аналоговых машинах.
Аналоговые электронные компьютеры основываются на задании физических характеристик их составляющих. Обычно это делается методом включения-исключения некоторых элементов из цепей, которые соединяют эти элементы проводами, и изменением параметров переменных сопротивлений, ёмкостей и индуктивностей в цепях.
Автомобильная автоматическая трансмиссия является примером гидромеханического аналогового компьютера, в котором при изменении вращающего момента жидкость в гидроприводе меняет давление, что позволяет получить необходимый конечный коэффициент передачи.
До появления мощной и надёжной цифровой аппаратуры аналоговые вычислители широко применялись в авиационной и ракетной технике, для оперативной обработки различной информации и последующего формирования сигналов управления в автопилотах и различных более сложных системах автоматического управления полётом, или другими специализированными процессами.
Помимо технических применений (автоматические трансмиссии, музыкальные синтезаторы), аналоговые компьютеры используются для решения специфических вычислительных задач практического характера. Например, кулачковый механический аналоговый компьютер, изображённый на фото, применялся в паровозостроении для аппроксимации кривых 4 порядка с помощью преобразований Фурье.
Механические компьютеры использовались в первых космических полётах и выводили информацию с помощью смещения индикатора поверхностей.
В военной технике исторически выработалось ещё одно название аналоговых вычислительных устройств для управления огнём артиллерии, высотного бомбометания и других военных задач, требующих сложных вычислений — это счётно-решающий прибор. Примером может служить прибор управления зенитным огнём.
Аналоговая техника интересна для военных двумя чертами: она крайне быстра, и в условиях помех работоспособность машины восстановится, как только помеха пропадёт.
Сейчас аналоговые компьютеры в основном уступили своё место цифровым технологиям.
Мозг человека — самое мощное и эффективное «аналоговое устройство» из существующих. И хотя передача нервных импульсов происходит за счет дискретных сигналов, информация в нервной системе не представлена в цифровом виде. Нейрокомпьютеры — аналоговые, гибридные компьютеры (модели, реализованные на цифровых ЭВМ), построенные на элементах, которые работают аналогично клеткам мозга.
АВМ механическая
Аналоговая вычислительная машина, в которой машинные переменные воспроизводятся механическими перемещениями. При решении задач на АВМ данного типа необходимо, кроме масштабирования переменных, производить силовой расчет конструкции и расчет мертвых ходов. Достоинствами механических АВМ являются высокая надежность и обратимость, позволяющая воспроизводить прямые и обратные математические операции. Недостатки АВМ такого типа — высокая стоимость, сложность изготовления, большие габариты и вес, а также низкий коэффициент эффективности использования отдельных вычислительных блоков. Механические АВМ применяют при построении высоконадежных вычислительных устройств.
АВМ пневматическая
Аналоговая вычислительная машина, в которой переменные представлены в виде величин давления воздуха (газа) в различных точках специально построенной сети. Элементами такой АВМ являются дроссели, ёмкости и мембраны. Дроссели играют роль сопротивлений, могут быть постоянными, переменными, нелинейными и регулируемыми. Пневматические ёмкости представляют собой глухие или проточные камеры, давление в которых вследствие сжимаемости воздуха растет по мере их наполнения. Мембраны используются для преобразования давления воздуха.
В 1960-х годах разрабатывались для получения средства дискретных вычислений с высокой радиационной стойкостью. Были разработаны элементы, выполняющие основные логические операции и элементы памяти без механических подвижных элементов.
Такие элементы очень долговечны, поскольку в них практически отсутствуют подвижные части, и, как следствие, нечему ломаться. В случае засорения каналов логические матрицы легко разбираются и промываются. Работает пневмокомпьютер от промышленной пневмосети.
Сейчас пневмокомпьютеры используются в отраслях промышленности, где требуется повышенная вибрационная стойкость, работоспособность в очень широком диапазоне температур или требуется управление пневматическими силовыми устройствами. В последнем случае устраняется необходимость в преобразователях электрического сигнала в перемещение. Это — роботы и автоматика, работающие в металлургии, в горнорудной промышленности. Известны случаи управления элементами авиационных двигателей, автоматикой ракетных систем, силовыми приводами вертолетов и самолетов. Существует также целая категория производств, агрегатов и установок, где применение электричества, даже самых низких напряжений, очень нежелательно. Это химия органических соединений, нефтеперегонные заводы, подземная добыча угля и руды. Они широко используют пневматическую автоматику.
Гидравлические АВМ
В. С. Лукьянов в 1934 году предложил принцип гидравлических аналогий и в 1936 году реализовал первый «гидравлический интегратор» — устройство, предназначенное для решения дифференциальных уравнений, действие которого основано на протекании воды. В дальнейшем подобные устройства применялись в десятках организаций и использовались до середины 1980-х годов
Трехмерный экспериментальный гидроинтегратор Лукьянова
Первые экземпляры были скорее экспериментальными, были сделаны из жести и стеклянных трубок, и каждый мог использоваться для решения только одной задачи. В 1941 году Лукьяновым был создан гидравлический интегратор модульной конструкции, который позволял собрать машину для решения разнообразных задач. В 1949 году Уильям Филлипс создал гидравлический компьютер MONIAC.
В настоящее время два гидроинтегратора Лукьянова хранятся в Политехническом музее.
MONIAC
MONIAC был аналоговым компьютером, который использовал флюидику (струйную логику) для моделирования процессов экономики. Название MONIAC, видимо, появилось по ассоциации с ENIAC (одной из первых ЭВМ) и англ. money
Сам компьютер состоял из ряда прозрачных пластиковых емкостей и труб, которые крепились к деревянной доске. Каждый бак представлял какой-либо аспект национальной экономики Великобритании. Денежный поток демонстрировался цветной водой. В верхней части доски был большой резервуар, который назывался казной. Вода (представляющая деньги) протекала из казны в другие резервуары, представляющие различные способы расхода денег. Например, были баки, которые «отвечали» за здравоохранение и образование. Для увеличения расходов на здравоохранение следовало открыть кран для слива воды из казны в бак, который «олицетворял» расходы на здравоохранение. Далее вода текла в другие баки, представляющие другие взаимодействия в экономике. Вода могла закачиваться обратно в казну из некоторых баков, представлявших налоги. Изменения налоговых ставок были смоделированы путём увеличения или уменьшения мощности насоса.
С помощью тех же принципов моделировались сбережения и доход от инвестиций. Расход воды автоматически контролировался через серию поплавков, противовесов, электродов и проводов. Когда уровень воды в баке достигал определенного уровня, включались соответствующие насосы.
К своему удивлению, создатели обнаружили, что MONIAC можно откалибровать с точностью до ± 2 %.
Поток воды между емкостями определялся экономическими принципами и настройкой параметров. Экономические показатели (например, налоговые ставки и инвестиционный курс) вводились установкой клапанов, которые контролировали поток воды в компьютере. Оператор мог экспериментировать с различными настройками и наблюдать за их влиянием на модель. Благодаря своей способности моделировать тонкое взаимодействие целого ряда параметров, MONIAC стал весьма мощным инструментом для своего времени.
Если подбор параметров приводил к «жизнеспособной экономике», то состояние компьютера стабилизировалось, и можно было получить результаты подсчётов.
MONIAC предназначался для использования в качестве учебного пособия, но оказался эффективным и в качестве экономического симулятора. Во время создания MONIAC ещё не было цифровых компьютеров, которые могли бы осуществлять сложное экономическое моделирование. Использование нескольких существовавших в 1949 году компьютеров было ограничено государственными и военными нуждами. Кроме того, у них не было достаточных возможностей визуального отображения, и они не могли иллюстрировать работу сложных моделей. Наблюдая за работой MONIAC, студенты могли гораздо проще понять взаимосвязанные процессы в экономике. Судя по списку организаций, которые приобрели этот компьютер, MONIAC использовался и как учебное пособие, и как симулятор.
Электрические АВМ
Это аналоговые вычислительные машины, в которых переменные представляются электрическим напряжением постоянного тока. Получили широкое распространение в связи с высокой надёжностью, быстродействием, удобством управления и получения результатов.
Теперь о представителя данного класса ВМ.
FERMIAC
FERMIAC или Тележка Монте-Карло — аналоговый компьютер, изобретённый физиком Энрико Ферми для изучения перемещения нейтронов.
FERMIAC использует Метод Монте-Карло для моделирования переноса нейтронов в различных типах ядерных систем. С учетом начального распределения нейтронов, целью процесса является создание многочисленных «родословных нейтронов», или моделей поведения отдельных нейтронов, в том числе каждого столкновения, рассеяния и деления.
FERMIAC
Итератор
Специализированная АВМ, предназначенная для решения линейных краевых задач систем линейных дифференциальных уравнений. Разработана в Институте кибернетики АН УССР в 1962 году.
Итератор
МН
Семейство аналоговых вычислительных машин. Название является аббревиатурой слов «модель нелинейная». Были предназначены для решения задач Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений.
МН-14
