模拟计算机：特性，组件，类型 - 技术 - 2025

该模拟计算机是一种类型的计算机，它使用连续变化的物理现象，如电学量，机械或液压方面，建模正在解决的问题。

就是说，它们是计算机，其数字由直接可测量的连续值（例如压力，温度，电压，速度和重量）表示。相反，数字计算机象征性地代表了这些价值。

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模拟计算机可能具有非常广泛的复杂性。最简单的是计算尺和列线图，而控制舰炮的计算机和大型混合数字/模拟计算机则是最复杂的。当时，它们是最早开发的计算机。

过程控制系统和保护继电器使用模拟计算来执行控制和保护功能。

在1960年代，主要的制造商是美国的Electronic Associates公司，其231R模拟计算机，真空管和20个积分器。后来，他使用了8800模拟计算机，固态运算放大器和64个集成器。

用数字计算机代替

在20世纪60年代，数字计算机首先基于真空管，然后基于晶体管，集成电路和微处理器，变得更加经济和精确。

这导致数字计算机在很大程度上取代了模拟计算机。但是，模拟计算机仍继续用于科学和工业应用，因为那时它们通常要快得多。

例如，它们继续用于某些特定应用中，例如飞机上的飞行计算机。

直到1980年代，合成孔径雷达等更复杂的应用仍处于模拟计算的主导地位，因为数字计算机不足以完成这项任务。

关于模拟计算的研究仍在进行中。一些大学仍然使用模拟计算机来教授控制系统理论。

特点

模拟数据处理

模拟计算机用于处理模拟数据，例如电压，温度，压力，速度等。它连续存储这些物理量数据，并借助这些测量结果进行计算。

它与数字计算机完全不同，后者使用符号数字来表示结果。

模拟计算机非常适合需要直接测量数据而不将其转换为数字或代码的情况。

使用模拟信号

模拟计算机使用模拟信号，可以将其表示为连续波或正弦波，其中包含随时间变化的值。

模拟信号的幅度或频率可以变化。振幅值是与信号的最高点（波峰）及其最低点有关的信号强度。另一方面，频率值是从左到右的物理长度。

模拟信号的示例是通过带电铜线的声音或人类语音。

模拟计算机不需要任何存储容量，因为它们只需一次操作即可测量和比较数量。

精度有限

模拟表示的精度有限，通常到小数点后几位。

模拟计算机的精度受其计算元素以及内部电源和电气互连的质量的限制。

它主要受所用读取设备的精度限制，该精度通常为三到四个小数位。

程式设计

在模拟计算机中进行编程涉及将问题方程式转换为模拟计算机电路。

模拟计算机有什么用？

它们用于通过可测量的量（例如电压或齿轮旋转）来表示数据，以解决问题，而不是将数据表示为数字。

监控

在监视和控制系统中，它们用于确定控制公式并计算过程参数，例如效率，功率，性能等。

如果您可以分配一个数学表达式来定义参数与对象坐标的关联，则模拟计算机可以求解相应的方程式。

例如，模拟计算机被广泛用于评估电力系统的经济效率，并且可以用作自动调节器。

它们通常用于控制过程，例如炼油厂的过程，在这些过程中，连续的流量和温度测量很重要。

进阶分析

通过反复求解描述受控过程的方程组，模拟计算机可以在短时间内扫描大量替代解决方案。为此，它在过程中会更改的参数中使用不同的值。

可以通过模拟计算机发出的控制信号来保证所需的质量。

由计算机确定的值被传输到调节装置，该调节装置调节控制点。

确定干扰或有用信号

使用描述动态系统的微分方程式，初始条件的值以及在测量噪声和信号的统计量中确定的变化，可以确定干扰或有用信号的大小。

模拟计算机还可用于构建自动记录干扰并产生控制信号的仪器，该信号取决于干扰的特征和数量。

动态系统仿真

仿真可以实时或以很高的速度进行，因此可以对更改后的变量进行重复运行实验。

它们已被广泛用于飞机模拟，核电站以及工业化学过程中。

组件

运算放大器

大多数电气模拟计算机都是通过操纵电压或电位差来工作的。它的基本组件是运算放大器，该器件的输出电流与输入电势差成正比。

通过使该输出电流流过适当的组件，可以获得更多的电位差，并且可以执行多种数学运算，包括加法，减法，求逆和积分。

电气模拟计算机由许多类型的放大器组成。可以将它们连接起来以生成非常复杂且带有多个变量的数学表达式。

液压元件

关键液压组件可能包括管道，阀门和容器。

机械零件

可能存在用于在计算机内传输数据的旋转轴，差速器齿轮，磁盘，球或滚子积分器，2-D和3-D凸轮，机械分解器和乘法器以及伺服转矩。

电气电子元件

-精密电阻器和电容器。

-运算放大器。

-乘数。

-电位器。

-固定函数发生器。

根据数学运算的性质

线性的

线性组件执行加法，积分，符号更改，乘以常数等运算。

非线性的

函数发生器重现非线性关系。有一些计算机组件旨在从一个，两个或多个参数中重现指定的功能。

在此类中，通常会区分可重现单参数不连续函数的设备和乘数除数设备。

逻辑上

在逻辑组件中有模拟逻辑设备，离散逻辑设备，继电器开关电路和一些其他特殊单元，它们被设计为在各种数量之间分离更大或更小的数量。

通常将所有逻辑设备组合为一个，称为并行逻辑设备。它配备了自己的配线架，可将各个逻辑设备相互连接以及与计算机的其他模拟组件连接。

种类

机械计算机

它们是由机械部件（例如杠杆和齿轮）而非电子部件制成的。

最常见的示例是加法器和机械计数器，它们使用齿轮的旋转来执行加法或计数。更复杂的示例可以执行乘法和除法，甚至进行差分分析。

最实用的机械计算机使用旋转轴将变量从一种机构传输到另一种机构。

在用于预测潮汐的机器傅里叶合成器中，使用了电缆和滑轮来增加谐波分量。

重要的是提及早期航天器中的机械飞行仪器，该仪器不是通过数字形式而是通过指示面的位移来显示计算结果。

有人驾驶的苏联航天器装有一种称为Globus的仪器。除了纬度和经度指标外，这还显示了地球通过微型地球仪的位移发生的比喻运动。

电动计算机

它们之所以更普遍，是因为它们的通带明显更宽，并且便于连接到其他计算机和设备控制元件。

他们使用流经各种电阻器和电容器的电信号来模拟物理现象，而不是组件的机械相互作用。

计算机模拟元件的设计基于直流电子放大器。它们在开路模式下具有高增益。

根据输入和反馈电路的结构，运算放大器执行线性或非线性数学运算。还要结合这些操作。

这种模拟计算机在20世纪中叶广泛用于计算机和军事技术，例如飞机和导弹测试。

数字差异

信号传输

数字信号具有两个离散状态，即关闭或打开。断开状态为零伏，接通状态为五伏。这就是为什么数字计算机使用0和1形式的二进制数字数据的原因。

模拟信号是连续的。它们可以介于两个极端之间，例如-15和+15伏。模拟信号的电压可以恒定或随时间变化。

即，在模拟计算机中，数据以连续信号的形式传输。在数字计算机中，它们以离散信号的形式传输。

电路类型

模拟计算机电路使用运算放大器，信号发生器，电阻器网络和电容器。这些电路处理连续的电压信号。

数字计算机使用各种开/关电路，例如微处理器，时钟发生器和逻辑门。

也就是说，数字计算机使用电子电路，而模拟计算机使用电阻器来连续传输信号。

精确

模拟计算机必须处理电路中一定程度的电噪声，从而影响其准确性。数字计算机的电路也具有电噪声，尽管这不会影响准确性或可靠性。

另一方面，模拟计算机无法产生完全匹配的重复结果。这意味着与数字计算机相比，模拟计算机的准确性较差。

程式设计

尽管方法不同，但模拟计算机和数字计算机均可编程。

数字计算机使用复杂的指令序列，例如将两个数字进行比较或相乘，或者将数据从一个位置移动到另一个位置。

为了对模拟计算机进行编程，不同的子系统通过电缆相互电连接。例如，信号发生器连接到控制旋钮，以改变信号强度。

例子

城堡钟

这台著名的计算机能够存储编程指令。该设备高三米，显示时间，黄道十二宫以及太阳和月亮的轨道。

因此，设备的计算部分允许用户根据季节设置一天的可变长度。1206年描述的这台计算机当时非常复杂。

计算尺

计算尺是最简单，最易识别的机械模拟计算机之一。这是一种用于近似基本数学计算的设备。

用户滑动标记的杆使其与另一杆上的各种标记对齐，从而根据这些各种标记的对齐方式读取设备。

差分分析仪

该机械模拟计算机能够求解微分方程。差分分析仪的设计历史可追溯到1800年代初，在1930年代得到了完善，并一直使用到20世纪中期。

它被认为是第一台现代计算机。它重达100吨，包含150台电机，以及连接继电器和真空管的数百英里电缆。

按照今天的标准，这台机器运行缓慢。实际上，它仅比使用台式计算器的操作员快一百倍。

其他例子

-预测者Kerrison。

-飞机的天秤，平衡和重量计算机。

-机械积分器，例如平面仪。

-诺法图。

-诺登轰炸护目镜。

-与消防相关的计算机。

-水集成商。

-MONIAC，经济模型。

模拟理事会是美国模拟计算机用户协会。

目前可在线获得1952年至1963年的仿真委员会通讯。他们展示了当时的技术以及模拟计算机的普遍使用。

参考文献

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