COMPUTER ANALOGICI: CARATTERISTICHE, COMPONENTI, TIPOLOGIE - TECNOLOGIA - 2024

I computer analogici sono un tipo di computer che utilizza aspetti in continuo mutamento di fenomeni fisici, come grandezze elettriche, meccaniche o idrauliche, per modellare il problema da risolvere.

Cioè, sono computer che funzionano con numeri rappresentati da valori continui misurabili direttamente, come pressione, temperatura, tensione, velocità e peso. Al contrario, i computer digitali rappresentano simbolicamente questi valori.

Fonte: X-15_Analog_computer di come è fatto - https://www.youtube.com/watch?v=PW1NAcZLDgs, dominio pubblico, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52164169

I computer analogici possono avere una gamma molto ampia di complessità. I più semplici sono regoli calcolatori e nomogrammi, mentre i computer che controllano i cannoni navali e i grandi computer ibridi digitali / analogici sono tra i più complicati. A quel tempo, erano le prime macchine informatiche sviluppate.

I sistemi di controllo del processo ei relè di protezione utilizzano il calcolo analogico per eseguire funzioni di controllo e protezione.

Negli anni '60, il principale produttore era l'azienda americana Electronic Associates, con il suo computer analogico 231R, con tubi a vuoto e 20 integratori. Successivamente, con il suo computer analogico 8800, con amplificatori operazionali a stato solido e 64 integratori.

Sostituzione con computer digitali

Negli anni '60 e '70 i computer digitali, basati prima su tubi a vuoto e successivamente su transistor, circuiti integrati e microprocessori, divennero più economici e precisi.

Ciò ha portato i computer digitali a sostituire ampiamente i computer analogici. Tuttavia, i computer analogici continuarono ad essere utilizzati in applicazioni scientifiche e industriali, perché a quel tempo erano comunemente molto più veloci.

Ad esempio, hanno continuato ad essere utilizzati in alcune applicazioni specifiche, come il computer di volo negli aeroplani.

Applicazioni più complesse, come il radar ad apertura sintetica, rimasero sotto il dominio del calcolo analogico fino agli anni '80, poiché i computer digitali non erano sufficienti per il compito.

La ricerca è ancora in corso sul calcolo analogico. Alcune università usano ancora computer analogici per insegnare la teoria dei sistemi di controllo.

caratteristiche

Elaborazione dati analogica

Un computer analogico viene utilizzato per elaborare dati analogici, come tensione, temperatura, pressione, velocità, ecc. Memorizza continuamente questi dati di quantità fisiche ed esegue calcoli con l'aiuto di queste misurazioni.

È abbastanza diverso dal computer digitale, che utilizza numeri simbolici per rappresentare i risultati.

I computer analogici sono ottimi per le situazioni che richiedono la misurazione diretta dei dati, senza convertirli in numeri o codici.

Utilizzo di segnali analogici

Il computer analogico utilizza il segnale analogico, che può essere rappresentato come un'onda continua o sinusoidale, che contiene valori che variano nel tempo.

Un segnale analogico può variare in ampiezza o frequenza. Il valore di ampiezza è l'intensità del segnale relativa al suo punto più alto, chiamato cresta, e ai suoi punti più bassi. D'altra parte, il valore della frequenza è la sua lunghezza fisica da sinistra a destra.

Esempi di segnali analogici sono il suono o il linguaggio umano attraverso fili di rame elettrificati.

I computer analogici non richiedono alcuna capacità di archiviazione perché in un'unica operazione misurano e confrontano le quantità.

Precisione limitata

Le rappresentazioni analogiche hanno una precisione limitata, comunemente a pochi decimali.

La precisione di un computer analogico è limitata dai suoi elementi di calcolo, nonché dalla qualità dell'alimentazione interna e delle interconnessioni elettriche.

È principalmente limitato dalla precisione dell'attrezzatura di lettura utilizzata, che generalmente è di tre o quattro cifre decimali.

Programmazione

La programmazione in un computer analogico implica la trasformazione delle equazioni del problema nel circuito del computer analogico.

A cosa servono i computer analogici?

Sono utilizzati per rappresentare i dati mediante quantità misurabili, come tensioni o rotazione degli ingranaggi, al fine di risolvere un problema, invece di esprimere i dati come numeri.

Monitoraggio e controllo

Nei sistemi di monitoraggio e controllo vengono utilizzati per determinare una formula di controllo e per calcolare i parametri di processo, come efficienza, potenza, prestazioni e altri.

Se è possibile assegnare un'espressione matematica che definisce l'associazione di un parametro con le coordinate di un oggetto, il computer analogico può risolvere l'equazione corrispondente.

Ad esempio, i computer analogici sono ampiamente utilizzati per valutare l'efficienza economica dei sistemi di alimentazione e possono fungere da regolatori automatici.

Sono spesso utilizzati per controllare processi come quelli nelle raffinerie di petrolio, dove sono importanti misurazioni continue del flusso e della temperatura.

Analisi avanzata

Risolvendo ripetutamente il sistema di equazioni che descrive un processo controllato, un computer analogico può scansionare un gran numero di soluzioni alternative in breve tempo. Per fare ciò, utilizza valori diversi nei parametri soggetti a modifica durante il processo.

La qualità richiesta può essere garantita tramite segnali di controllo annunciati dal computer analogico.

I valori determinati dal computer vengono trasmessi a un dispositivo di regolazione, che regola i punti di controllo.

Determinazione di segnali di disturbo o utili

L'ampiezza di un segnale disturbante o utile viene determinata utilizzando equazioni differenziali che descrivono il sistema dinamico, i valori delle condizioni iniziali, oltre alle variazioni determinate nelle statistiche che misurano rumore e segnale.

Un computer analogico può anche essere utilizzato per costruire strumenti che registrano automaticamente i disturbi e producono un segnale di controllo, che dipenderà dal carattere e dalla quantità dei disturbi.

Simulazione di sistemi dinamici

Le simulazioni possono essere effettuate in tempo reale o ad altissime velocità, permettendo così di sperimentare corse ripetute con le variabili alterate.

Sono stati ampiamente utilizzati nelle simulazioni di aeromobili, nelle centrali nucleari e anche nei processi chimici industriali.

componenti

Amplificatore operazionale

La maggior parte dei computer elettrici analogici funziona manipolando tensioni o potenziali differenze. Il suo componente di base è l'amplificatore operazionale, che è un dispositivo la cui corrente di uscita è proporzionale alla sua differenza di potenziale di ingresso.

Facendo fluire questa corrente di uscita attraverso i componenti appropriati, si ottengono più differenze potenziali e si può eseguire un'ampia varietà di operazioni matematiche, incluse addizione, sottrazione, inversione e integrazione.

Un computer elettrico analogico è costituito da molti tipi di amplificatori. Questi possono essere collegati per generare un'espressione matematica di grande complessità e con una moltitudine di variabili.

Componenti idraulici

I componenti idraulici chiave potrebbero includere tubi, valvole e contenitori.

Componenti meccanici

Possono essere presenti alberi rotanti per il trasporto dei dati all'interno del computer, ingranaggi differenziali, integratori a disco, a sfere oa rulli, camme 2-D e 3-D, resolver e moltiplicatori meccanici e servo-coppie.

Componenti elettrici ed elettronici

- Resistenze e condensatori di precisione.

- Amplificatori operazionali.

- Moltiplicatori.

- Potenziometri.

- Generatori di funzioni fisse.

Secondo la natura delle operazioni matematiche

Lineare

I componenti lineari eseguono le operazioni di addizione, integrazione, cambio di segno, moltiplicazione per una costante e altre.

Non lineare

I generatori di funzioni riproducono relazioni non lineari. Esistono componenti del computer progettati per riprodurre una funzione assegnata, da uno, due o più argomenti.

È comune in questa classe distinguere tra dispositivi che riproducono funzioni discontinue a argomento singolo e dispositivi divisori moltiplicatori.

Logico

Tra i componenti logici vi sono dispositivi logici analogici, progettati per separare la quantità maggiore o minore tra più grandezze, dispositivi logici discreti, circuiti di commutazione relè e alcune altre unità speciali.

Tutti i dispositivi logici sono generalmente combinati in uno, chiamato dispositivo logico parallelo. È dotato di un proprio pannello di permutazione per collegare i singoli dispositivi logici tra loro e agli altri componenti analogici del computer.

tipi

Calcolatori meccanici

Sono costruiti con componenti meccanici, come leve e ingranaggi, piuttosto che componenti elettronici.

Gli esempi più comuni sono le macchine addizionatrici e i contatori meccanici, che utilizzano la rotazione di ingranaggi per eseguire aggiunte o conteggi. Esempi più complessi potrebbero eseguire moltiplicazioni e divisioni e persino analisi differenziali.

I computer meccanici più pratici utilizzano assi rotanti per trasportare variabili da un meccanismo all'altro.

Nel sintetizzatore di Fourier, che era una macchina per la previsione delle maree, venivano usati cavi e pulegge che aggiungevano le componenti armoniche.

È importante menzionare gli strumenti di volo meccanici nei primi veicoli spaziali, che mostravano il risultato calcolato non sotto forma di cifre, ma attraverso gli spostamenti delle superfici indicatrici.

I veicoli spaziali sovietici con equipaggio erano dotati di uno strumento chiamato Globus. Questo mostrava il movimento figurativo della Terra attraverso lo spostamento di un globo terrestre in miniatura, oltre agli indicatori di latitudine e longitudine.

Computer elettrici

Sono più comuni perché hanno una banda passante sostanzialmente più ampia e sono convenienti per il collegamento ad altri computer e agli elementi di controllo del dispositivo.

Usano segnali elettrici che fluiscono attraverso vari resistori e condensatori per simulare fenomeni fisici, piuttosto che l'interazione meccanica dei componenti.

Il design degli elementi analogici del computer si basa su amplificatori elettronici a corrente continua. Questi hanno un guadagno elevato in modalità circuito aperto.

A seconda della struttura dei circuiti di input e feedback, un amplificatore operazionale esegue un'operazione matematica lineare o non lineare. Anche una combinazione di queste operazioni.

Questo tipo di computer analogico è stato ampiamente utilizzato nella tecnologia informatica e militare nella metà del 20 ° secolo, come nei test di aerei e missili.

Differenze con il digitale

Trasmissione del segnale

I segnali digitali hanno due stati discreti, off o on. Lo stato off è zero volt e lo stato on è cinque volt. Questo è il motivo per cui i computer digitali utilizzano dati numerici binari, sotto forma di 0 e 1.

I segnali analogici sono continui. Possono essere ovunque tra due estremi, come -15 e +15 volt. La tensione di un segnale analogico può essere costante o variare nel tempo.

Cioè, nei computer analogici, i dati vengono trasmessi sotto forma di segnali continui. Nei computer digitali vengono trasmessi sotto forma di segnali discreti.

Tipi di circuiti

I circuiti di computer analogici utilizzano amplificatori operazionali, generatori di segnali, reti di resistori e condensatori. Questi circuiti elaborano segnali di tensione continui.

I computer digitali utilizzano una varietà di circuiti on / off, come microprocessori, generatori di clock e porte logiche.

Cioè, il computer digitale utilizza circuiti elettronici, mentre il computer analogico utilizza resistenze per il flusso continuo del segnale.

Precisione

I computer analogici devono gestire un certo livello di rumore elettrico nei circuiti, influendo sulla loro precisione. Anche i circuiti di un computer digitale hanno rumore elettrico, sebbene questo non abbia alcun effetto sulla precisione o affidabilità.

D'altra parte, il computer analogico non può produrre risultati ripetuti con una corrispondenza esatta. Ciò significa che i computer analogici sono meno precisi rispetto ai computer digitali.

Programmazione

È possibile programmare computer sia analogici che digitali, sebbene i metodi siano diversi.

I computer digitali utilizzano sequenze complesse di istruzioni, come confrontare o moltiplicare due numeri o spostare i dati da un luogo a un altro.

Per programmare un computer analogico, diversi sottosistemi sono collegati elettricamente con cavi tra loro. Ad esempio, un generatore di segnale è collegato a una manopola di controllo, per variare l'intensità del segnale.

Esempi

Orologio del castello

Questo famoso computer era in grado di memorizzare istruzioni di programmazione. Alto più di tre metri, il dispositivo mostrava l'ora, lo zodiaco e anche le orbite del sole e della luna.

La parte computazionale del dispositivo ha quindi permesso agli utenti di impostare la durata variabile della giornata a seconda della stagione. Descritto nel 1206, questo computer era molto complesso per l'epoca.

Regolo calcolatore

Uno dei computer analogici meccanici più semplici e riconoscibili è il regolo calcolatore. Questo è un dispositivo per approssimare i calcoli matematici di base.

Gli utenti fanno scorrere un'asta contrassegnata per allinearla con vari segni su un'altra asta, leggendo così il dispositivo in base all'allineamento di quei vari segni.

Analizzatore differenziale

Questo computer analogico meccanico era in grado di risolvere equazioni differenziali. Con un design che risale agli inizi del 1800, l'analizzatore differenziale è stato perfezionato negli anni '30 ed è stato utilizzato fino alla metà del XX secolo.

È considerato il primo computer moderno. Pesava 100 tonnellate e conteneva 150 motori, oltre a centinaia di miglia di cavi che collegavano relè e tubi a vuoto.

Per gli standard odierni, la macchina era lenta. In effetti, era solo un centinaio di volte più veloce di un operatore umano che utilizzava una calcolatrice da tavolo.

Altri esempi

- Predittore Kerrison.

- Librascope, computer di bilanciamento e peso di un aereo.

- Integratori meccanici come il planimetro.

- Nomogramma.

- Visiera bombardamento Norden.

- Computer relativi al controllo del fuoco.

- Integratori d'acqua.

- MONIAC, modellistica economica.

Il Simulation Council era un'associazione di utenti di computer analogici negli Stati Uniti.

Le newsletter del Simulation Council dal 1952 al 1963 sono attualmente disponibili online. Mostrano le tecnologie in quel momento e anche l'uso comune dei computer analogici.

Riferimenti

1. Wikipedia, l'enciclopedia libera (2019). Computer analogico. Tratto da: en.wikipedia.org.
2. Techopedia (2019). Computer analogico. Tratto da: ceilingpedia.com.
3. Dinesh Thakur (2019). Cos'è il computer analogico? - Definizione. Note sull'ecomputer. Tratto da: ecomputernotes.com.
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5. John Papiewski (2019). 10 Differenze tra computer analogici e digitali. Tratto da: techwalla.com.
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