Analoginiai kompiuteriai: apibrėžimas, istorija ir pritaikymas

Analoginiai kompiuteriai - tai mechaniniai arba elektroniniai prietaisai, kuriais sprendžiamos užduotys bei modeliuojami realaus pasaulio procesai. Kai kurie jų naudojami mašinoms valdyti. Kadaise analoginiai prietaisai buvo vienintelis būdas automatiškai valdyti įrenginius; šiandien jie vis dar naudingi tais atvejais, kai skaitmeniniai sprendimai nėra optimalūs (pvz., dėl greičio, energijos sąnaudų arba natūralaus tęstinumo).

Kas tai yra ir kaip veikia

Analoginis kompiuteris modeliuoja procesus naudodamas ištisinę (kontinuinę) reikšmių sritį, o ne diskrečius skaitmeninius skaičius. Tokiuose įrenginiuose fizikinių dydžių (įtampos, srovės, mechaninio poslinkio, slėgio ir kt.) nuoseklumas atspindi modeliuojamų kintamųjų elgseną. Dažniausi analoginių grandinių elementai yra rezistoriai, kondensatoriai, induktoriai, operaciniai stiprintuvai, potenciometrai bei mechaninės transmisijos—visi jie atlieka operacijas (sudėtis, diferenciacija, integracija, skalavimas), reikalingas diferencialinėms lygtims spręsti.

Istorija — trumpai ir aiškiai

Skaičiavimo priemonės atsirado labai anksti: pavyzdžiui, Abakusą - skaitmeninį prietaisą, kartais dar vadinamą kompiuteriu, babiloniečiai naudojo apie 2500 m. pr. m. e.

Ankstyviausias žinomas analoginis metalinis kompiuteris buvo Antikiteros įrenginys, skirtas astronominių reiškinių prognozei. Tačiau analoginių principų pėdsakų rasime ir kitose technologijose bei įrankiuose. Kartais diskutuojama, ar tam tikri protiniai ar matematiniai išradimai yra analoginių skaičiavimo priemonių pradininkai; pvz., protiniai išradimai ar nulio konceptas (Senovės Egiptas ir vėliau) turėjo įtakos skaičiavimams, tačiau pats terminas „analoginis kompiuteris“ vartojamas konkretesne prasme.

Praktiniam skaičiavimui labai svarbus buvo slankmačio išradimas. Jį XVII a. sukūrė Viljamas Oughtredas, remdamasis Džono Napjero darbu apie logaritmus. Slankioji taisyklė yra mechaninė skaičiavimo priemonė ir iki 1960–1970 m. plačiai naudota mokslo ir inžinerijos srityse.

Pramonės revoliucijos metu labai svarbus buvo Džeimso Vato (James Watt) reguliatoriaus išradimas, nes tai leido automatiškai reguliuoti siurblius ir variklius, naudojant neigiamą grįžtamąjį ryšį. Daugelis klasikinių analoginių sistemų remiasi būtent grįžtamuoju ryšiu ir nuosekliais (kontinuiniais) signalu.

Istorinės ir praktinės taikymo sritys

• Valdymo sistemos: automatiniai reguliatoriai, greičio ir slėgio kontrolė.
• Simuliacijos ir skaičiavimai: diferencialiniai analizeriai, elektromechaninės ar elektroninės grandinės, skirtos diferencialinėms lygtims spręsti.
• Signalo apdorojimas: radijo imtuvai, analoginė filtracija, sintezatoriai ir garso įranga.
• Matuokliai ir jutikliai: seismografai, termometrai, slėgio bei srauto matavimo sistemos.
• Aviacija ir laivybos instrumentai: realaus laiko skaičiavimai ir stabilizacija.

Tipiniai pavyzdžiai ir komponentai

Analoginiuose kompiuteriuose dažnai naudojami operaciniai stiprintuvai (integratoriai, sumažuotojai), varžos ir kondensatoriai matematiniams operatoriams imituoti. Mechaniniuose prietaisuose tai gali būti svertai, perdavimo mechanizmai, inkrementiniai rodykliai. Daugumoje klasikinių grandinių užduotys sprendžiamos tiesiog fiziškai atvaizduojant lygtis per komponentų elgseną.

Privalumai ir trūkumai

Privalumai:

• Natūralus tęstinumas — tinka procesams, kurie yra kontinuoshni realiame laike.
• Realaus laiko veikimas su maža delsos — naudinga valdymui ir greitiems signalams.
• Energijos efektyvumas tam tikrose užduotyse (pvz., tiesioginė analoginė akustinė ar vaizdo apdorojimo grandinė).
• Paprasta ir tiesioginė fizinė modeliavimas be diskretizacijos klaidų.

Trūkumai:

• Ribota tikslumas ir jautrumas triukšmui bei komponentų tolerancijoms.
• Sunkiau programuojami ir keičiamų funkcijų įgyvendinimas lanksčiai — neretai reikalauja grandinių perdarymo.
• Skalavimas ir didelio sudėtingumo problemų sprendimas yra sudėtingesnis nei skaitmeniniams sprendimams.

Skirtumas nuo skaitmeninių kompiuterių

Analoginiai įrenginiai dirba su ištisiniais duomenimis, o ne su diskrečiaisiais ar skaitmeniniais duomenimis. Analoginė sistema tiesiogiai atvaizduoja fizikinius dydžius, todėl ji dažnai yra tarsi abstraktus realaus pasaulio modelis: analoginis variklis modeliuoja kritinius realaus variklio aspektus be konversijų į bitus ir atgal.

Šiuolaikinės tendencijos

Nors dauguma skaičiavimų persikėlė į skaitmeninius kompiuterius, analoginė technika išliko svarbi ir patraukli tam tikrose srityse. Pastaraisiais metais matomas tam tikras analoginės skaičiavimo paradigmų atgimimas technologijų srityse:

• Analoginės neuralinės tinklo dalys ir neuromorfiniai įrenginiai, siekiant sumažinti energijos sąnaudas dirbtinio intelekto užduotyse.
• Fotoniškas ir membristorais pagrįstas analoginis skaičiavimas — greiti (pvz., vaizdo apdorojimo) sprendimai.
• Hibridiniai sprendimai — analoginė priekyje esanti laiko ir dažnio apdorojimo grandinė kartu su skaitmeniniais valdikliais.

Išvados

Analoginiai kompiuteriai turi ilgą istoriją ir užima nišą šiuolaikinėje technikoje. Jie ypač tinkami realiu laiku veikiančioms sistemoms, tiesioginiam procesų modeliui ir energijos efektyviam apdorojimui tam tikrose užduotyse. Nors skaitmeniniai kompiuteriai užėmė pagrindinę vietą daugelyje sričių, analoginė grandinė ir jos principai tebėra svarbūs inžinerijoje, valdymo sistemose, signalo apdorojime ir naujose technologinėse kryptyse.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra analoginiai kompiuteriai?

K: Kada buvo išrastas abakas?

K: Kas sukūrė slankmatį?

K: Kaip Džeimso Vato valdiklis prisidėjo prie pramonės revoliucijos?

K: Ar analoginiai kompiuteriai yra skaitmeniniai, ar pagrįsti nuolatiniais duomenimis?

K: Ar iki 1960-1970 m. buvo paplitę rankiniai laikrodžiai su apskritomis slankmačio taisyklėmis?

K: Ar nuo to laiko buvo kokių nors žymių apvalių slankmačių taikymo atvejų?

Paieška pagal raidę