Computador analógico - Analog computer

Uma página do Arquivo de informações do Bombardier (BIF) que descreve os componentes e controles da mira de bomba Norden . A mira de bombardeio Norden era um computador analógico ótico / mecânico altamente sofisticado usado pela Força Aérea do Exército dos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial , a Guerra da Coréia e a Guerra do Vietnã para ajudar o piloto de um avião bombardeiro a lançar bombas com precisão.

Computador analógico desktop TR-10 do final dos anos 1960 e início dos anos 70

Um computador analógico ou analógico é um tipo de computador que usa os aspectos continuamente variáveis ​​dos fenômenos físicos, como grandezas elétricas , mecânicas ou hidráulicas, para modelar o problema que está sendo resolvido. Em contraste, os computadores digitais representam quantidades variáveis ​​simbolicamente e por valores discretos de tempo e amplitude.

Os computadores analógicos podem ter uma gama muito ampla de complexidade. As réguas de cálculo e os nomogramas são os mais simples, enquanto os computadores de controle de tiros navais e os grandes computadores híbridos digitais / analógicos estão entre os mais complicados. Os sistemas para controle de processo e relés de proteção usavam computação analógica para realizar funções de controle e proteção.

Computadores analógicos foram amplamente utilizados em aplicações científicas e industriais mesmo após o advento dos computadores digitais, porque na época eles eram tipicamente muito mais rápidos, mas começaram a se tornar obsoletos já nas décadas de 1950 e 1960, embora continuassem em uso em alguns aplicações, como simuladores de vôo de aeronaves , o computador de vôo em aeronaves e para sistemas de controle de ensino em universidades. Aplicações mais complexas, como simuladores de vôo de aeronaves e radar de abertura sintética , permaneceram no domínio da computação analógica (e da computação híbrida ) até a década de 1980, uma vez que os computadores digitais eram insuficientes para a tarefa.

Linha do tempo de computadores analógicos

Precursores

Esta é uma lista de exemplos dos primeiros dispositivos de computação considerados precursores dos computadores modernos. Alguns deles podem até ter sido apelidados de "computadores" pela imprensa, embora possam não se encaixar nas definições modernas.

O mecanismo de Antikythera , datado de 150 a 100 aC, foi um dos primeiros computadores analógicos.

O mecanismo de Antikythera era um orrery e é considerado um dos primeiros computadores analógicos mecânicos, de acordo com Derek J. de Solla Price . Ele foi projetado para calcular posições astronômicas. Foi descoberto em 1901 no naufrágio de Antikythera na ilha grega de Antikythera , entre Kythera e Creta , e foi datado de c.  100 AC durante o período helenístico da Grécia. Dispositivos de um nível de complexidade comparável ao do mecanismo de Antikythera só reapareceriam mil anos depois.

Muitos auxílios mecânicos para cálculos e medições foram construídos para uso astronômico e de navegação. O planisfério foi descrito pela primeira vez por Ptolomeu no século 2 DC. O astrolábio foi inventado no mundo helenístico nos séculos I ou II aC e é frequentemente atribuído a Hiparco . Uma combinação de planisfério e dioptra , o astrolábio era efetivamente um computador analógico capaz de resolver vários tipos diferentes de problemas na astronomia esférica . Um astrolábio incorporando um computador de calendário mecânico e engrenagens foi inventado por Abi Bakr de Isfahan , Pérsia em 1235. Abū Rayhān al-Bīrūnī inventou o primeiro astrolábio lunisolar de calendário mecânico , uma das primeiras máquinas de processamento de conhecimento de fio fixo com um trem de engrenagens e rodas dentadas, c.  AD 1000 . O relógio do castelo , um relógio astronômico mecânico movido a energia hidrelétrica inventado por Al-Jazari em 1206, foi o primeiro computador analógico programável .

O setor , instrumento de cálculo utilizado para resolver problemas de proporção, trigonometria, multiplicação e divisão, e para várias funções, como quadrados e raízes cúbicas, foi desenvolvido no final do século XVI e teve aplicação na artilharia, topografia e navegação.

O planímetro era um instrumento manual para calcular a área de uma figura fechada traçando sobre ela com uma ligação mecânica.

Uma régua de cálculo . O deslizamento central deslizante é definido como 1,3, o cursor como 2,0 e aponta para o resultado multiplicado de 2,6.

A régua de cálculo foi inventada por volta de 1620-1630, logo após a publicação do conceito de logaritmo . É um computador analógico operado manualmente para fazer multiplicação e divisão. Conforme o desenvolvimento da régua de cálculo progrediu, as escalas adicionadas forneceram recíprocos, quadrados e raízes quadradas, cubos e raízes cúbicas, bem como funções transcendentais , como logaritmos e exponenciais, trigonometria circular e hiperbólica e outras funções . A aviação é um dos poucos campos em que as regras de cálculo ainda são amplamente utilizadas, principalmente para resolver problemas de tempo-distância em aeronaves leves.

Charles Babbage é considerado por alguns o " pai do computador ". Em 1822, Babbage começou a projetar o primeiro computador mecânico , a Máquina Diferencial , que eventualmente levou a projetos eletrônicos mais complexos, embora todas as idéias essenciais dos computadores modernos possam ser encontradas na Máquina Analítica de Babbage .

Em 1831-1835, o matemático e engenheiro Giovanni Plana desenvolveu uma máquina de calendário perpétuo , que, por meio de um sistema de roldanas e cilindros, poderia prever o calendário perpétuo para cada ano de 0 DC (ou seja, 1 AC) a 4000 DC, mantendo o controle de anos bissextos e duração variável dos dias.

A máquina de previsão das marés inventada por Sir William Thomson em 1872 era de grande utilidade para a navegação em águas rasas. Ele usava um sistema de polias e cabos para calcular automaticamente os níveis de marés previstos para um determinado período em um determinado local.

O analisador diferencial , um computador mecânico analógico projetado para resolver equações diferenciais por integração , usava mecanismos de roda e disco para realizar a integração. Em 1876, James Thomson já havia discutido a possível construção de tais calculadoras, mas foi impedido pelo torque de saída limitado dos integradores de bola e disco . Em um analisador diferencial, a saída de um integrador direcionou a entrada do próximo integrador, ou uma saída de gráfico. O amplificador de torque foi o avanço que permitiu o funcionamento dessas máquinas. Começando na década de 1920, Vannevar Bush e outros desenvolveram analisadores diferenciais mecânicos.

Era moderna

Máquina de computação analógica no Laboratório de Propulsão de Voo Lewis por volta de 1949.

Computador analógico educacional Heathkit EC-1

O Dumaresq era um dispositivo de cálculo mecânico inventado por volta de 1902 pelo Tenente John Dumaresq da Marinha Real . Era um computador analógico que relacionava as variáveis ​​vitais do problema de controle de fogo com o movimento da própria nave e de uma nave alvo. Ele era frequentemente usado com outros dispositivos, como um relógio de alcance Vickers para gerar dados de alcance e deflexão para que a mira do canhão do navio pudesse ser continuamente ajustada. Várias versões do Dumaresq foram produzidas de complexidade crescente à medida que o desenvolvimento prosseguia.

Em 1912, Arthur Pollen havia desenvolvido um computador analógico mecânico acionado eletricamente para sistemas de controle de fogo , baseado no analisador diferencial. Foi usado pela Marinha Imperial Russa na Primeira Guerra Mundial .

A partir de 1929, analisadores de rede AC foram construídos para resolver problemas de cálculo relacionados a sistemas de energia elétrica que eram muito grandes para serem resolvidos com métodos numéricos na época. Esses eram essencialmente modelos em escala das propriedades elétricas do sistema em tamanho real. Como os analisadores de rede podiam lidar com problemas grandes demais para métodos analíticos ou computação manual, eles também eram usados ​​para resolver problemas em física nuclear e no projeto de estruturas. Mais de 50 grandes analisadores de rede foram construídos no final da década de 1950.

Diretores de armas da época da Segunda Guerra Mundial , computadores de dados de armas e miras de bombas usavam computadores analógicos mecânicos. Em 1942, Helmut Hölzer construiu um computador analógico totalmente eletrônico no Centro de Pesquisa do Exército de Peenemünde como um sistema de controle embutido ( dispositivo de mistura ) para calcular as trajetórias do foguete V-2 a partir das acelerações e orientações (medidas por giroscópios ) e para estabilizar e guiar o míssil. Os computadores analógicos mecânicos foram muito importantes no controle de tiros na Segunda Guerra Mundial, na Guerra da Coréia e bem depois da Guerra do Vietnã; eles foram feitos em números significativos.

No período de 1930 a 1945, na Holanda, Johan van Veen desenvolveu um computador analógico para calcular e prever as correntes de maré quando a geometria dos canais é alterada. Por volta de 1950, essa ideia foi desenvolvida no Deltar , um computador analógico que apoia o fechamento de estuários no sudoeste da Holanda (a Delta Works ).

O FERMIAC era um computador analógico inventado pelo físico Enrico Fermi em 1947 para auxiliar em seus estudos de transporte de nêutrons. O Projeto Cyclone foi um computador analógico desenvolvido por Reeves em 1950 para a análise e projeto de sistemas dinâmicos. O Projeto Typhoon era um computador analógico desenvolvido pela RCA em 1952. Consistia em mais de 4.000 tubos de elétrons e usava 100 mostradores e 6.000 conectores de plug-in para programar. O Computador MONIAC foi um modelo hidráulico de economia nacional revelado pela primeira vez em 1949.

A Computer Engineering Associates saiu da Caltech em 1950 para fornecer serviços comerciais usando o "Direct Analogy Electric Analog Computer" ("a maior e mais impressionante instalação de analisador de uso geral para a solução de problemas de campo") desenvolvido por Gilbert D. McCann , Charles H. Wilts e Bart Locanthi .

Computadores analógicos educacionais ilustraram os princípios do cálculo analógico. O Heathkit EC-1, um computador analógico educacional de $ 199, foi feito pela Heath Company, EUA c.  1960 . Ele foi programado usando patch cords que conectavam nove amplificadores operacionais e outros componentes. A General Electric também comercializou um kit de computador analógico "educacional" de design simples no início dos anos 1960, consistindo em dois geradores de tom de transistor e três potenciômetros conectados de forma que a frequência do oscilador fosse anulada quando os mostradores do potenciômetro fossem posicionados à mão para satisfazer um equação. A resistência relativa do potenciômetro era então equivalente à fórmula da equação sendo resolvida. A multiplicação ou divisão pode ser realizada, dependendo de quais dials eram entradas e quais eram a saída. A precisão e a resolução eram limitadas e uma régua de cálculo simples era mais precisa - no entanto, a unidade demonstrou o princípio básico.

Projetos de computadores analógicos foram publicados em revistas de eletrônica. Um exemplo é o PE Analogue Computer, publicado na Practical Electronics na edição de setembro de 1978. Outro projeto de computador híbrido mais moderno foi publicado na Everyday Practical Electronics em 2002. Um exemplo descrito no EPE Hybrid Computer foi o vôo de uma aeronave VTOL como o jato de salto Harrier. A altitude e a velocidade da aeronave foram calculadas pela parte analógica do computador e enviadas para um PC por meio de um microprocessador digital e exibidas na tela do PC.

No controle de processo industrial , os controladores de loop analógico foram usados ​​para regular automaticamente a temperatura, o fluxo, a pressão ou outras condições do processo. A tecnologia desses controladores variava de integradores puramente mecânicos, passando por tubos de vácuo e dispositivos de estado sólido, até a emulação de controladores analógicos por microprocessadores.

Computadores eletrônicos analógicos

Computador analógico polonês AKAT-1 (1959)

EAI 8800 Sistema de computação analógica usado para simulação de hardware-in-the-loop de um trator Claas (1986)

A semelhança entre componentes mecânicos lineares, como molas e painéis (amortecedores de fluido viscoso), e componentes elétricos, como capacitores , indutores e resistores é impressionante em termos matemáticos. Eles podem ser modelados usando equações da mesma forma.

No entanto, a diferença entre esses sistemas é o que torna a computação analógica útil. Os sistemas complexos muitas vezes não são passíveis de análise em papel e caneta e requerem alguma forma de teste ou simulação. Sistemas mecânicos complexos, como suspensões para carros de corrida, são caros de fabricar e difíceis de modificar. E fazer medições mecânicas precisas durante os testes de alta velocidade adiciona mais dificuldade.

Em contraste, é muito barato construir um equivalente elétrico de um sistema mecânico complexo para simular seu comportamento. Os engenheiros organizam alguns amplificadores operacionais ( amplificadores operacionais ) e alguns componentes lineares passivos para formar um circuito que segue as mesmas equações do sistema mecânico que está sendo simulado. Todas as medições podem ser feitas diretamente com um osciloscópio . No circuito, a rigidez (simulada) da mola, por exemplo, pode ser alterada ajustando os parâmetros de um integrador. O sistema elétrico é uma analogia ao sistema físico, daí o nome, mas é muito menos caro do que um protótipo mecânico, muito mais fácil de modificar e geralmente mais seguro.

O circuito eletrônico também pode ser feito para funcionar mais rápido ou mais devagar do que o sistema físico que está sendo simulado. Usuários experientes de computadores analógicos eletrônicos disseram que eles ofereciam um controle e compreensão relativamente íntimos do problema, em relação às simulações digitais.

Os computadores analógicos eletrônicos são especialmente adequados para representar situações descritas por equações diferenciais. Historicamente, eram frequentemente usados ​​quando um sistema de equações diferenciais se mostrava muito difícil de resolver por meios tradicionais. Como um exemplo simples, a dinâmica de um sistema de massa-mola pode ser descrita pela equação , com a posição vertical de uma massa , o coeficiente de amortecimento , a constante da mola e a gravidade da Terra . Para computação analógica, a equação é programada como . O circuito analógico equivalente consiste em dois integradores para as variáveis ​​de estado (velocidade) e (posição), um inversor e três potenciômetros. ${\ displaystyle m {\ ddot {y}} + d {\ dot {y}} + cy = mg}$${\ displaystyle y}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle c}$${\ displaystyle g}$${\ displaystyle {\ ddot {y}} = - {\ tfrac {d} {m}} {\ dot {y}} - {\ tfrac {c} {m}} yg}$${\ displaystyle - {\ dot {y}}}$${\ displaystyle y}$

Os computadores analógicos eletrônicos têm desvantagens: o valor da tensão de alimentação do circuito limita a faixa na qual as variáveis ​​podem variar (uma vez que o valor de uma variável é representado por uma tensão em um determinado fio). Portanto, cada problema deve ser escalado para que seus parâmetros e dimensões possam ser representados usando tensões que o circuito pode fornecer - por exemplo, as magnitudes esperadas da velocidade e a posição de um pêndulo de mola . Variáveis ​​dimensionadas incorretamente podem ter seus valores "fixados" pelos limites da tensão de alimentação. Ou se dimensionados muito pequenos, eles podem sofrer com níveis de ruído mais elevados . Qualquer um dos problemas pode fazer com que o circuito produza uma simulação incorreta do sistema físico. (As simulações digitais modernas são muito mais robustas para valores amplamente variáveis ​​de suas variáveis, mas ainda não são totalmente imunes a essas preocupações: cálculos digitais de ponto flutuante suportam uma grande faixa dinâmica, mas podem sofrer de imprecisão se pequenas diferenças de valores enormes levarem a instabilidade numérica .)

Circuito analógico para a dinâmica de um sistema de massa-mola (sem fatores de escala)

Movimento amortecido de um sistema de massa de mola

A precisão da leitura do computador analógico era limitada principalmente pela precisão do equipamento de leitura usado, geralmente três ou quatro algarismos significativos. (As simulações digitais modernas são muito melhores nesta área. A aritmética de precisão arbitrária digital pode fornecer qualquer grau de precisão desejado.) No entanto, na maioria dos casos, a precisão de um computador analógico é absolutamente suficiente, dada a incerteza das características do modelo e seus parâmetros técnicos .

Muitos pequenos computadores dedicados a cálculos específicos ainda fazem parte do equipamento de regulamentação industrial, mas dos anos 1950 aos anos 1970, os computadores analógicos de uso geral eram os únicos sistemas rápidos o suficiente para simulação em tempo real de sistemas dinâmicos, especialmente nas aeronaves, militares e aeroespaciais campo.

Na década de 1960, o principal fabricante era a Electronic Associates de Princeton, New Jersey , com seu 231R Analog Computer (válvulas a vácuo, 20 integradores) e, posteriormente, seu EAI 8800 Analog Computer (amplificadores operacionais de estado sólido, 64 integradores). Seu desafiante foi a Applied Dynamics of Ann Arbor, Michigan .

Embora a tecnologia básica para computadores analógicos geralmente sejam amplificadores operacionais (também chamados de "amplificadores de corrente contínua" porque não têm limitação de baixa frequência), na década de 1960 foi feita uma tentativa no computador francês ANALAC de usar uma tecnologia alternativa: portadora de média frequência e circuitos reversíveis não dissipativos.

Na década de 1970, toda grande empresa e administração preocupada com problemas de dinâmica tinha um grande centro de computação analógica, por exemplo:

• Nos EUA : NASA (Huntsville, Houston), Martin Marietta (Orlando), Lockheed , Westinghouse , Hughes Aircraft
• Na Europa : CEA ( Comissão Francesa de Energia Atômica ), MATRA , Aérospatiale , BAC ( British Aircraft Corporation ).

Híbridos analógico-digital

Os dispositivos de computação analógica são rápidos, os dispositivos de computação digital são mais versáteis e precisos, então a ideia é combinar os dois processos para obter a melhor eficiência. Um exemplo de tal dispositivo elementar híbrido é o multiplicador híbrido onde uma entrada é um sinal analógico, a outra entrada é um sinal digital e a saída é analógica. Ele atua como um potenciômetro analógico que pode ser atualizado digitalmente. Este tipo de técnica híbrida é usada principalmente para computação rápida e dedicada em tempo real, quando o tempo de computação é muito crítico como processamento de sinal para radares e geralmente para controladores em sistemas embarcados .

No início da década de 1970, os fabricantes de computadores analógicos tentaram unir seu computador analógico a um computador digital para obter as vantagens das duas técnicas. Em tais sistemas, o computador digital controlava o computador analógico, fornecendo configuração inicial, iniciando várias execuções analógicas e alimentando e coletando dados automaticamente. O computador digital também pode participar do próprio cálculo usando conversores analógico-digital e digital-analógico .

O maior fabricante de computadores híbridos foi a Electronics Associates. Seu modelo de computador híbrido 8900 era feito de um computador digital e um ou mais consoles analógicos. Esses sistemas foram dedicados principalmente a grandes projetos como o programa Apollo e o Ônibus Espacial na NASA, ou o Ariane na Europa, especialmente durante a etapa de integração onde no início tudo é simulado e progressivamente componentes reais substituem sua parte simulada.

Apenas uma empresa era conhecida por oferecer serviços gerais de computação comercial em seus computadores híbridos, a CISI da França, na década de 1970.

A melhor referência nesse campo são as 100.000 rodadas de simulação para cada certificação dos sistemas de pouso automático de aeronaves Airbus e Concorde .

Depois de 1980, os computadores puramente digitais progrediram cada vez mais rapidamente e eram rápidos o suficiente para competir com os computadores analógicos. Uma chave para a velocidade dos computadores analógicos era sua computação totalmente paralela, mas isso também era uma limitação. Quanto mais equações são necessárias para um problema, mais componentes analógicos são necessários, mesmo quando o problema não é crítico em relação ao tempo. "Programar" um problema significava interconectar as operadoras analógicas; mesmo com um painel de fiação removível, isso não era muito versátil. Hoje não existem mais grandes computadores híbridos, mas apenas componentes híbridos.

Implementações

Computadores analógicos mecânicos

William Ferrel 's máquina de maré-previsão de 1881-1882

Embora uma grande variedade de mecanismos tenha sido desenvolvida ao longo da história, alguns se destacam por sua importância teórica, ou porque foram fabricados em quantidades significativas.

A maioria dos computadores analógicos mecânicos práticos de qualquer complexidade significativa usavam eixos rotativos para transportar variáveis ​​de um mecanismo para outro. Cabos e polias foram usados ​​em um sintetizador de Fourier, uma máquina de previsão de maré , que somava os componentes harmônicos individuais. Outra categoria, não tão conhecida, usava eixos rotativos apenas para entrada e saída, com cremalheiras e pinhões de precisão. Os racks foram conectados a enlaces que realizaram a computação. Pelo menos um computador de controle de fogo com sonar da Marinha dos EUA do final dos anos 1950, feito pela Librascope, era desse tipo, assim como o principal computador do Mk. 56 Sistema de controle de fogo de arma de fogo.

Online, há uma referência ilustrada notavelmente clara (OP 1140) que descreve os mecanismos do computador de controle de incêndio. Para somar e subtrair, diferenciais de engrenagem de mitra de precisão eram de uso comum em alguns computadores; o computador de controle de incêndio Ford Instrument Mark I continha cerca de 160 deles.

A integração em relação a outra variável foi feita por um disco giratório acionado por uma variável. A saída veio de um dispositivo pick-off (como uma roda) posicionado em um raio no disco proporcional à segunda variável. (Um carregador com um par de bolas de aço suportadas por pequenos roletes funcionou especialmente bem. Um rolete, seu eixo paralelo à superfície do disco, fornecia a saída. Ele era mantido contra o par de bolas por uma mola.)

As funções arbitrárias de uma variável eram fornecidas por cames, com engrenagens para converter o movimento do seguidor em rotação do eixo.

As funções de duas variáveis ​​foram fornecidas por cames tridimensionais. Em um bom projeto, uma das variáveis ​​girou o came. Um seguidor hemisférico moveu seu portador em um eixo pivô paralelo ao eixo de rotação do came. O movimento giratório foi o resultado. A segunda variável moveu o seguidor ao longo do eixo do came. Uma aplicação prática era a balística na artilharia.

A conversão de coordenadas de polar para retangular foi feita por um resolvedor mecânico (chamado de "solucionador de componentes" nos computadores de controle de fogo da Marinha dos EUA). Dois discos em um eixo comum posicionaram um bloco deslizante com pino (eixo atarracado) nele. Um disco era um came frontal e um seguidor no bloco na ranhura do came frontal definia o raio. O outro disco, mais próximo do pino, continha uma fenda reta na qual o bloco se movia. O ângulo de entrada girou o último disco (o disco de came frontal, para um raio imutável, girou com o outro disco (ângulo); um diferencial e algumas engrenagens fizeram essa correção.

Referindo-se à estrutura do mecanismo, a localização do pino correspondia à ponta do vetor representado pelas entradas de ângulo e magnitude. Montado naquele pino estava um bloco quadrado.

Saídas de coordenadas retilíneas (seno e cosseno, normalmente) vieram de duas placas com fenda, cada slot encaixando no bloco que acabamos de mencionar. As placas moviam-se em linhas retas, o movimento de uma placa perpendicularmente ao da outra. As ranhuras formavam ângulos retos com a direção do movimento. Cada placa, por si só, era como uma canga escocesa , conhecida pelos entusiastas das máquinas a vapor.

Durante a Segunda Guerra Mundial, um mecanismo semelhante converteu coordenadas retilíneas em polares, mas não foi particularmente bem-sucedido e foi eliminado em um redesenho significativo (USN, Mk. 1 a Mk. 1A).

A multiplicação foi feita por mecanismos baseados na geometria de triângulos retângulos semelhantes. Usando os termos trigonométricos para um triângulo retângulo, especificamente oposto, adjacente e hipotenusa, o lado adjacente foi fixado por construção. Uma variável mudou a magnitude do lado oposto. Em muitos casos, essa variável mudou de sinal; a hipotenusa pode coincidir com o lado adjacente (uma entrada zero), ou mover-se além do lado adjacente, representando uma mudança de sinal.

Normalmente, uma cremalheira operada por pinhão movendo-se paralelamente ao lado oposto (definido pelo gatilho) posicionaria uma corrediça com uma fenda coincidente com a hipotenusa. Um pivô no rack permite que o ângulo do slide mude livremente. Na outra extremidade do slide (o ângulo, em termos trigonométricos), um bloco em um pino fixado à estrutura definia o vértice entre a hipotenusa e o lado adjacente.

A qualquer distância ao longo do lado adjacente, uma linha perpendicular a ele cruza a hipotenusa em um ponto específico. A distância entre esse ponto e o lado adjacente é alguma fração que é o produto de 1 a distância do vértice e 2 a magnitude do lado oposto.

A segunda variável de entrada neste tipo de multiplicador posiciona uma placa com fenda perpendicular ao lado adjacente. Esse slot contém um bloco, e a posição desse bloco em seu slot é determinada por outro bloco ao lado dele. O último desliza ao longo da hipotenusa, de modo que os dois blocos são posicionados a uma distância do lado (trig.) Adjacente por uma quantidade proporcional ao produto.

Para fornecer o produto como saída, um terceiro elemento, outra placa com fenda, também se move paralelamente ao (trig.) Lado oposto do triângulo teórico. Como de costume, a ranhura é perpendicular à direção do movimento. Um bloco em sua ranhura, girado para o bloco de hipotenusa, posiciona-o.

Um tipo especial de integrador, usado em um ponto onde apenas uma precisão moderada era necessária, era baseado em uma bola de aço, em vez de um disco. Tinha duas entradas, uma para girar a bola e outra para definir o ângulo do eixo de rotação da bola. Esse eixo estava sempre em um plano que continha os eixos de dois roletes coletores de movimento, bastante semelhante ao mecanismo de um mouse de computador com bola rolante (nesse mecanismo, os roletes coletores tinham aproximadamente o mesmo diâmetro da bola) . Os eixos do rolo pick-off estavam em ângulos retos.

Um par de roletes "acima" e "abaixo" do plano de coleta foram montados em suportes giratórios que foram engrenados juntos. Essa engrenagem foi acionada pelo ângulo de entrada e estabeleceu o eixo de rotação da bola. A outra entrada girou o rolo "inferior" para fazer a bola girar.

Essencialmente, todo o mecanismo, chamado de integrador de componentes, era uma unidade de velocidade variável com uma entrada de movimento e duas saídas, bem como uma entrada angular. O ângulo de entrada variou a razão (e direção) de acoplamento entre a entrada de "movimento" e as saídas de acordo com o seno e co-seno do ângulo de entrada.

Embora não realizassem nenhum cálculo, os servos de posição eletromecânicos eram essenciais em computadores analógicos mecânicos do tipo "eixo rotativo" para fornecer torque operacional às entradas de mecanismos de computação subsequentes, bem como para impulsionar dispositivos de transmissão de dados de saída, como grande torque -transmitter synchros em computadores navais.

Outros mecanismos de leitura, não diretamente parte do cálculo, incluíam contadores internos semelhantes a um odômetro com mostradores de tambor de interpolação para indicar variáveis ​​internas e paradas mecânicas de limite de múltiplas voltas.

Considerando que a velocidade de rotação controlada com precisão em computadores analógicos de controle de fogo era um elemento básico de sua precisão, havia um motor com sua velocidade média controlada por uma roda de balanço, espiral, diferencial de rolamento de joias, um came de lóbulo duplo e contatos carregados (a frequência de alimentação CA da nave não era necessariamente precisa, nem confiável o suficiente, quando esses computadores foram projetados).

Computadores eletrônicos analógicos

Placa de comutação do computador analógico EAI 8800 (vista frontal)

Os computadores analógicos eletrônicos geralmente têm painéis frontais com vários conectores (soquetes de contato único) que permitem patch cords (fios flexíveis com plugues em ambas as extremidades) para criar as interconexões que definem a configuração do problema. Além disso, existem potenciômetros de alta resolução de precisão (resistores variáveis) para configurar (e, quando necessário, variar) fatores de escala. Além disso, geralmente há um medidor do tipo ponteiro analógico de centro zero para medição de tensão de precisão modesta. Fontes de tensão estáveis ​​e precisas fornecem magnitudes conhecidas.

Os computadores analógicos eletrônicos típicos contêm de alguns a cem ou mais amplificadores operacionais ("amplificadores operacionais"), nomeados porque realizam operações matemáticas. Os amplificadores operacionais são um tipo particular de amplificador de feedback com ganho muito alto e entrada estável (deslocamento baixo e estável). Eles são sempre usados ​​com componentes de feedback de precisão que, em operação, praticamente cancelam as correntes que chegam dos componentes de entrada. A maioria dos amplificadores operacionais em uma configuração representativa são amplificadores somadores, que adicionam e subtraem tensões analógicas, fornecendo o resultado em seus conectores de saída. Da mesma forma, amplificadores operacionais com feedback de capacitor são normalmente incluídos em uma configuração; eles integram a soma de suas entradas em relação ao tempo.

A integração em relação a outra variável é domínio quase exclusivo dos integradores analógicos mecânicos; quase nunca é feito em computadores analógicos eletrônicos. No entanto, dado que a solução de um problema não muda com o tempo, o tempo pode servir como uma das variáveis.

Outros elementos de computação incluem multiplicadores analógicos, geradores de função não linear e comparadores analógicos.

Elementos elétricos como indutores e capacitores usados ​​em computadores elétricos analógicos tiveram que ser fabricados com cuidado para reduzir efeitos não ideais. Por exemplo, na construção de analisadores de rede de energia CA , um motivo para usar frequências mais altas para a calculadora (em vez da frequência de energia real) foi que indutores de qualidade superior poderiam ser feitos mais facilmente. Muitos computadores analógicos de uso geral evitavam inteiramente o uso de indutores, reformulando o problema de uma forma que pudesse ser resolvida usando apenas elementos resistivos e capacitivos, uma vez que capacitores de alta qualidade são relativamente fáceis de fazer.

O uso de propriedades elétricas em computadores analógicos significa que os cálculos são normalmente realizados em tempo real (ou mais rápido), a uma velocidade determinada principalmente pela resposta de frequência dos amplificadores operacionais e outros elementos de computação. Na história dos computadores analógicos eletrônicos, havia alguns tipos especiais de alta velocidade.

Funções e cálculos não lineares podem ser construídos com uma precisão limitada (três ou quatro dígitos) projetando geradores de função - circuitos especiais de várias combinações de resistores e diodos para fornecer a não linearidade. Normalmente, conforme a tensão de entrada aumenta, mais diodos conduzem progressivamente.

Quando compensada pela temperatura, a queda de tensão direta da junção base-emissor de um transistor pode fornecer uma função logarítmica ou exponencial utilizável e precisa. Os amplificadores operacionais escalam a tensão de saída para que seja utilizável com o resto do computador.

Qualquer processo físico que modele alguma computação pode ser interpretado como um computador analógico. Alguns exemplos, inventados com o propósito de ilustrar o conceito de computação analógica, incluem o uso de um feixe de espaguete como modelo de classificação de números ; uma prancha, um conjunto de pregos e um elástico como modelo para encontrar o casco convexo de um conjunto de pontas; e strings amarradas como um modelo para encontrar o caminho mais curto em uma rede. Todos eles são descritos em Dewdney (1984).

Componentes

Um computador analógico Newmark 1960, composto de cinco unidades. Este computador foi usado para resolver equações diferenciais e atualmente está alojado no Museu de Tecnologia de Cambridge .

Os computadores analógicos geralmente têm uma estrutura complicada, mas eles têm, em sua essência, um conjunto de componentes-chave que realizam os cálculos. O operador os manipula por meio da estrutura do computador.

Os principais componentes hidráulicos podem incluir tubos, válvulas e recipientes.

Os principais componentes mecânicos podem incluir eixos rotativos para transportar dados dentro do computador, diferenciais de engrenagem de esquadria , integradores de disco / esfera / rolo, cames (2-D e 3-D), resolvedores e multiplicadores mecânicos e servos de torque.

Os principais componentes elétricos / eletrônicos podem incluir:

• resistores e capacitores de precisão
• amplificadores operacionais
• multiplicadores
• potenciômetros
• geradores de função fixa

As principais operações matemáticas usadas em um computador elétrico analógico são:

• Adição
• integração com respeito ao tempo
• inversão
• multiplicação
• exponenciação
• logaritmo
• divisão

Em alguns projetos de computador analógico, a multiplicação é muito mais preferida do que a divisão. A divisão é realizada com um multiplicador no caminho de feedback de um amplificador operacional.

A diferenciação com relação ao tempo não é freqüentemente usada e, na prática, é evitada redefinindo o problema quando possível. Corresponde no domínio da frequência a um filtro passa-alta, o que significa que o ruído de alta frequência é amplificado; a diferenciação também corre o risco de instabilidade.

Limitações

Em geral, os computadores analógicos são limitados por efeitos não ideais. Um sinal analógico é composto de quatro componentes básicos: magnitudes CC e CA, frequência e fase. Os limites reais de alcance dessas características limitam os computadores analógicos. Alguns desses limites incluem o deslocamento do amplificador operacional, ganho finito e resposta de frequência, piso de ruído , não linearidades , coeficiente de temperatura e efeitos parasitas em dispositivos semicondutores. Para componentes eletrônicos disponíveis comercialmente, as faixas desses aspectos dos sinais de entrada e saída são sempre figuras de mérito .

Declínio

Nas décadas de 1950 a 1970, os computadores digitais baseados nos primeiros tubos de vácuo, transistores, circuitos integrados e, em seguida, microprocessadores tornaram-se mais econômicos e precisos. Isso levou os computadores digitais a substituir em grande parte os computadores analógicos. Mesmo assim, algumas pesquisas em computação analógica ainda estão sendo feitas. Algumas universidades ainda usam computadores analógicos para ensinar a teoria do sistema de controle . A empresa americana Comdyna fabricava pequenos computadores analógicos. Na Indiana University Bloomington, Jonathan Mills desenvolveu o Extended Analog Computer com base na amostragem de voltagens em uma folha de espuma. No Harvard Robotics Laboratory, a computação analógica é um tópico de pesquisa. Os circuitos de correção de erros do Lyric Semiconductor usam sinais probabilísticos analógicos. As réguas de cálculo ainda são populares entre o pessoal de aeronaves.

Ressurgimento

Com o desenvolvimento da tecnologia de integração de escala muito grande (VLSI), o grupo de Yannis Tsividis na Universidade de Columbia tem revisitado o design de computadores analógicos / híbridos no processo CMOS padrão. Dois chips VLSI foram desenvolvidos, um computador analógico de 80ª ordem (250 nm) por Glenn Cowan em 2005 e um computador híbrido de 4ª ordem (65 nm) desenvolvido por Ning Guo em 2015, ambos voltados para aplicações ODE / PDE com eficiência energética . O chip de Glenn contém 16 macros, nas quais existem 25 blocos de computação analógica, ou seja, integradores, multiplicadores, fanouts, alguns blocos não lineares. O chip do Ning contém um macro bloco, no qual existem 26 blocos de computação, incluindo integradores, multiplicadores, fanouts, ADCs, SRAMs e DACs. A geração de função não linear arbitrária é possibilitada pela cadeia ADC + SRAM + DAC, onde o bloco SRAM armazena os dados da função não linear. Os experimentos das publicações relacionadas revelaram que os computadores analógicos / híbridos VLSI demonstraram cerca de 1–2 ordens de magnitude de vantagem em tempo de solução e energia, ao mesmo tempo em que alcançaram precisão de 5%, o que aponta para a promessa de usar técnicas de computação analógica / híbrida na área de computação aproximada com eficiência energética. Em 2016, uma equipe de pesquisadores desenvolveu um compilador para resolver equações diferenciais usando circuitos analógicos.

Em 2020, a empresa anabrid GmbH foi fundada na Alemanha para desenvolver um computador analógico reconfigurável no chip e um ecossistema de software full-stack para tornar os chips transparentemente disponíveis para programadores clássicos. A empresa desenvolveu um computador analógico pequeno, mas poderoso, chamado THE ANALOG THING, para oferecer suporte à computação analógica em contextos de colégio, universidade e hobby. THE ANALOG THING é um projeto de hardware aberto que pode ser usado e estendido por qualquer pessoa interessada em computação analógica.

Exemplos práticos

Computador analógico simulador X-15

Estes são exemplos de computadores analógicos que foram construídos ou usados ​​na prática:

Sintetizadores analógicos (áudio) também podem ser vistos como uma forma de computador analógico, e sua tecnologia foi originalmente baseada em parte na tecnologia de computador analógico eletrônico. O modulador de anel do ARP 2600 era, na verdade, um multiplicador analógico de precisão moderada.

O Simulation Council (ou Simulations Council) era uma associação de usuários de computador analógico nos Estados Unidos. É agora conhecida como The Society for Modeling and Simulation International. Os boletins do Simulation Council de 1952 a 1963 estão disponíveis online e mostram as preocupações e tecnologias da época, e o uso comum de computadores analógicos para mísseis.

Veja também

• Rede neural analógica
• Modelos analógicos
• Teoria do caos
• Equação diferencial
• Sistema dinâmico
• Matriz analógica programável em campo
• Computador analógico de uso geral
• Lotfernrohr série 7 de miras de bombardeio alemãs da 2ª Guerra Mundial
• Sinal (engenharia elétrica)
• Voskhod Spacecraft "Globus" IMP instrumento de navegação
• Escritor XY

Notas

Referências

• AK Dewdney. "On the Spaghetti Computer and Other Analog Gadgets for Problem Solving", Scientific American , 250 (6): 19-26, junho de 1984. Reimpresso em The Armchair Universe , por AK Dewdney, publicado por WH Freeman & Company (1988), ISBN  0-7167-1939-8 .
• Museu da Computação da Universiteit van Amsterdam. (2007). Computadores analógicos .
• Jackson, Albert S., "Analog Computation". Londres e Nova York: McGraw-Hill, 1960. OCLC  230146450

links externos

• Calendário lunissolar de oito engrenagens de Biruni em "Archaeology: High tech from Ancient Greece", François Charette, Nature 444, 551–552 (30 de novembro de 2006), doi : 10.1038 / 444551a
• Os primeiros computadores
• Grande coleção de computadores analógicos eletrônicos com muitas fotos, documentação e exemplos de implementações (alguns em alemão)
• Grande coleção de antigos computadores analógicos e digitais no Old Computer Museum
• Um grande ato de desaparecimento: o computador eletrônico analógico Chris Bissell, The Open University, Milton Keynes, Reino Unido. Acessado em fevereiro de 2007
• Museu alemão da computação com computadores analógicos ainda executáveis
• Noções básicas de computador analógico Arquivado em 6 de agosto de 2009 na Wayback Machine
• O computador analógico supera o modelo de Turing
• Notebook analógico de Jonathan W. Mills
• Harvard Robotics Laboratory Analog Computation
• The Enns Power Network Computer - um computador analógico para análise de sistemas elétricos de potência (anúncio de 1955)
• Librascope Development Company - Tipo LC-1 WWII Navy PV-1 "Balance Computor"
• Tecnologia Kronis Mais informações sobre computadores analógicos e híbridos