Ана́логовый компьютер или ана́логовая вычисли́тельная маши́на (АВМ) — 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. 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.

История

Примечание: для сравнения указаны отдельные этапы развития цифровых вычислительных устройств.

Одним из самых древних аналоговых приборов считается антикитерский механизм — механическое устройство, обнаруженное в 1902 году на затонувшем древнем судне недалеко от греческого острова Антикитера. Датируется приблизительно 100 годом до н. э. (возможно, до 150 года до н. э.). Хранится в Национальном археологическом музее в Афинах.

Астрологи и астрономы пользовались аналоговым прибором астролябия с IV века до нашей эры вплоть до XIX века нашей эры. Этот прибор использовался для определения положения звезд на небе и вычисления продолжительности дня и ночи. Современным потомком астролябии является планисфера — подвижная карта звёздного неба, используемая в учебных целях. 1622 год, английский математик-любитель Уильям Отред разработал первый вариант логарифмической линейки, устройство, которое можно считать первым аналоговым вычислительным прибором. 1674 год — создана машина Морленда 1674 год. 1814 год — учёный Дж. Герман (Англия) создал планиметр — аналоговое устройство, которое предназначено для нахождения площади, ограниченной замкнутой кривой на плоскости. 1878 год — польский математик Абданк-Абаканович разработал теорию интеграфа — аналогового графического интегратора — устройства, позволяющего подсчитать значение интеграла от произвольной функции на основании механической обработки её графика. 1903 год — российский инженер Алексей Крылов изобрел первую механическую вычислительную машину, которая могла применяться как для интегрирования нелинейных уравнений, так и для численного решения алгебраических уравнений. На практике прибор применялся при проектировании кораблей. Академик Б. Б. Голицын при выдвижении А. Н. Крылова на звание ординарного академика Императорской Академии наук в 1916 году писал: «Особой оригинальностью и остроумием отличается его прибор для интегрирования дифференциальных уравнений, в котором, при помощи особых шаблонов, характеризующих виды уравнения, ему удаётся чисто механическим путем находить интеграл заданного дифференциального уравнения»https://polymus.ru/ru/persons/aleksey-krylov/ АЛЕКСЕЙ КРЫЛОВ // Политехнический музей. 1930 год — Ванневар Буш (США) создал механическую интегрирующую машину, применявшуюся при расчёте траектории стрельбы корабельных орудий (в 1942 году — создана её электромеханическая версия)Обучающий фильм 1953 года «Fire Control Computers» (Компьютеры наведения огня): Часть 1 , Часть 2 . Чтобы настроить эту машину, оператор должен был вручную подбирать множество шестереночных передач, на что уходило 2-3 дня. В. Буш предложил своему ученику К. Шеннону в качестве темы диссертации изучить логическую организацию своей машины. Диссертация Шеннона 1938 года считается поворотным пунктом в истории развития информатики и вычислительной техники. В ней Шеннон изложил свои идеи относительно связи между двоичными числами, булевой алгеброй и электрическими схемами. 1935 год — выпуск первой советской электродинамической счётно-аналитической машины САМ (модель Т-1). Разработаны механический интегратор и электрический расчётный стол для определения стационарных режимов энергетических системhttp://www.nsc.ru/win/elbib/data/show_page.dhtml?77+87 Словарь терминов // Новосибирский государственный университет. 1936 год — советский инженер Владимир Сергеевич Лукьянов создаёт Гидравлический интегратор — первый в мире аналоговый компьютер для решения дифференциальных уравнений в частных производных, использующий воду в качестве рабочей среды. 1942—1944 годы, США — операционный усилитель постоянного тока, имеющий достаточно высокий коэффициент усиления, что дало возможность конструировать аналоговые компьютеры без движущихся частей, на постоянном токе. 1945—1946 годы, СССР — под руководством Льва Гутенмахера изобретены первые электронные аналоговые машины с повторением решения. 1949 год, СССР — изобретён ряд АВМ на постоянном токе, что положило начало развитию аналоговой вычислительной техники в СССР. 1955 год — Гидравлический интегратор Лукьянова, доработанный для решения двух- и трёхмерных задач и получивший модульную конструкцию, начинает производиться на Рязанском заводе счётно-аналитических машин для использования в строительных расчётах и экспорта. 1958 год — Фрэнк Розенблатт разработал первый нейрокомпьютер-перцептрон Марк-1, который не является полностью аналоговым, а скорее относится к гибридным системам. 1960-е годы, аналоговые компьютеры являлись повседневным инструментом ученых для решения множества специфических задач в различных областях науки. В СССР расцвет электронных аналоговых вычислительных машин с их серийным выпуском пришёлся на 1960—1970-е годы.

Принцип действия

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. Однако общая скорость их работы невысока, так как вычисления во многом опираются на переходные процессы в реактивных компонентах, а также ограничены частотной полосой и нагрузочной способностью операционных усилителей. Такого рода компьютеры широко использовались в научных исследованиях. Например, в таких экспериментах, 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.

Базовые элементы

Все функциональные блоки аналоговых вычислительных машин можно разделить на ряд групп: линейные — выполняют такие математические операции, как интегрирование, суммирование, перемена знака, умножение на константу. нелинейные (функциональные преобразователи) — соответствуют нелинейной зависимости функции от нескольких переменных. логические — устройства непрерывной, дискретной логики, релейные переключающие схемы. Вместе эти устройства образуют устройство параллельной логики.

Универсальные АВМ, как правило, содержат в своем составе: источник питания контрольно-измерительную аппаратуру управляющее устройство наборное поле блоки суммирования (сумматор) блоки интегрирования (интегратор) блоки дифференцирования (дифференциатор) множительно-делительное устройство блоки нелинейности (функциональный преобразователь) также используются: потенциометр функциональный блок переменных коэффициентов вычислитель индукционный тахогенератор

масштабное звено — аналоговый функциональный блок в АВМ структурного типа, в котором выходная величина и входная величина связаны зависимостью: Применяется когда в АВМ при реализации структурной схемы модели необходимо произвести умножение на постоянный коэффициент В качестве звена масштабирования может применяться блок суммирования, в котором и а напряжение на выходе определяется зависимостью:

Запоминающее устройство Ёмкостные запоминающие устройства — динамические запоминающие устройства, основанная на свойстве конденсаторов хранить поданное на него напряжение. Ячейка ёмкостного ЗУ формируется на обычном интеграторе с различными коммутаторами. Иногда в интегратор для уменьшения времени процесса запоминания вводится операционный усилитель — повторитель. Время хранения информации в таких устройствах ограничено. Делитель напряжения — электромеханическое запоминающее устройство, в котором запоминаемым величинам соответствуют углы поворота реостатов. Подобные устройства могут неограниченное время хранить информацию. Запоминающая пара — устройство, формирующее задержанную во времени последовательность выбранных уровней входного сигнала. В качестве запоминающей пары часто применяют каскадно соединённые операционные усилители, один из которых работает в режиме отслеживания входного сигнала, а другой в режиме хранения. Запоминающее устройство на ферритовых сердечниках — основано на свойстве ферромагнетиков сохранять намагниченность. Ячейки таких ЗУ выполняются на ферритовых сердечниках либо на трансфлюксорах и тороидальных сердечниках. Использование трансфлюксоров и тороидальных сердечников уменьшает погрешности, одновременно снижая быстродействие.

Характеристики Добротность АВМ — обобщённая характеристика аналоговой вычислительной машины, вычисляемая по формуле: , где  — максимально возможное значение машинной переменной,  — нижний предел возможного значения машинной переменной. Пределы, как правило, определяются экспериментально. Числовое значение зависит от уровня помех, ошибок аналоговых функциональных блоков, точности применяемой измерительной аппаратуры. Добротность мощных АВМ превышает .

Классификация

Все АВМ можно разделить на две основных группы: Специализированные — предназначены для решения заданного узкого класса задач (или одной задачи); Универсальные — предназначены для решения широкого спектра задач.

В зависимости от типа рабочего тела

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.

Общее название потоковых (пневматических и гидравлических) конструкций, предназначенных для вычислений и т. п. задач — пневмоника (см. Струйная логика).

АВМ пневматическая