アナログコンピュータ：特性、コンポーネント、タイプ - 技術 - 2025

アナログコンピュータは機械的又は油圧式無例えば電気量などの物理現象の側面を変更する用途は、解決された問題をモデル化することをコンピュータの一種です。

つまり、圧力、温度、電圧、速度、重量などの直接測定可能な連続値で表される数値で動作するコンピューターです。対照的に、デジタルコンピューターはこれらの値を象徴的に表します。

出典：X-15_Analog_computer By How it's made-https://www.youtube.com/watch?v=PW1NAcZLDgs、Public Domain、https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52164169

アナログコンピュータは、非常に広範囲の複雑さを持つことができます。最も単純なものは計算尺とノモグラムですが、海軍の銃を制御するコンピュータと大型のハイブリッドデジタル/アナログコンピュータは最も複雑です。当時、それらは開発された最初のコンピュータマシンでした。

プロセス制御システムと保護リレーは、アナログコンピューティングを使用して制御および保護機能を実行します。

1960年代の主要メーカーは、231Rアナログコンピューターを備えたアメリカ企業Electronic Associatesで、真空管と20のインテグレーターを備えていました。その後、彼の8800アナログコンピュータと、ソリッドステートオペアンプと64個の積分器を搭載しました。

デジタルコンピューターによる代替

60年代に、最初は真空管、その後はトランジスタ、集積回路、マイクロプロセッサをベースにしたデジタルコンピュータが、より経済的で正確になった。

これにより、デジタルコンピュータがアナログコンピュータに大きく取って代わりました。しかし、当時は一般的にはるかに高速だったため、アナログコンピュータは科学および産業用アプリケーションで引き続き使用されていました。

たとえば、飛行機のフライトコンピュータなど、一部の特定のアプリケーションで引き続き使用されていました。

合成開口レーダーなどのより複雑なアプリケーションは、デジタルコンピューターでは不十分であったため、1980年代までアナログコンピューティングの支配下にありました。

アナログコンピューティングに関する研究はまだ進行中です。いくつかの大学は、制御システムの理論を教えるためにアナログコンピュータをまだ使用しています。

特徴

アナログデータ処理

アナログコンピュータは、電圧、温度、圧力、速度などのアナログデータを処理するために使用されます。この物理量のデータを継続的に保存し、これらの測定値を利用して計算を実行します。

これは、結果を表すために記号番号を使用するデジタルコンピューターとはかなり異なります。

アナログコンピュータは、データを数値やコードに変換せずに直接測定する必要がある状況に最適です。

アナログ信号を使用する

アナログコンピューターは、アナログ信号を使用します。これは、時間とともに変化する値を含む連続波または正弦波として表すことができます。

アナログ信号は、振幅または周波数が異なる場合があります。振幅値は、クレストと呼ばれる最高点と最低点に関連する信号の強度です。一方、周波数の値は、左から右への物理的な長さです。

アナログ信号の例は、帯電した銅線を介した音声または人間の発話です。

アナログコンピュータは、単一の操作で数量を測定および比較するため、ストレージ容量を必要としません。

限られた精度

アナログ表現の精度は制限されており、通常、小数点以下の数桁までです。

アナログコンピュータの精度は、その計算要素、および内部電源の品質と電気的相互接続によって制限されます。

それは主に、一般的に小数点以下3桁または4桁である、使用される読み取り機器の精度によって制限されます。

プログラミング

アナログコンピュータでのプログラミングには、問題の方程式をアナログコンピュータ回路に変換することが含まれます。

アナログコンピュータとは何ですか？

データを数値として表すのではなく、問題を解決するために、電圧やギアの回転などの測定可能な量でデータを表すために使用されます。

監視と制御

監視および制御システムでは、それらを使用して制御式を決定し、効率、電力、パフォーマンスなどのプロセスパラメーターを計算します。

パラメータとオブジェクトの座標の関連付けを定義する数式を割り当てることができる場合、アナログコンピュータは対応する方程式を解くことができます。

たとえば、アナログコンピュータは、電力システムの経済効率を評価するために広く使用されており、自動レギュレータとして機能します。

それらは、連続的な流れと温度の測定が重要である石油精製所のプロセスのようなプロセスを制御するためにしばしば使用されます。

高度な分析

制御されたプロセスを表す方程式系を繰り返し解くことにより、アナログコンピューターは多数の代替解を短時間でスキャンできます。これを行うには、プロセス中に変更される可能性のあるパラメーターで異なる値を使用します。

必要な品質は、アナログコンピュータによって発表される制御信号によって保証できます。

コンピューターによって決定された値は、制御ポイントを調整する調整デバイスに送信されます。

妨害または有用な信号の決定

妨害信号または有用な信号の大きさは、ノイズと信号を測定する統計で決定された変化に加えて、動的システム、初期条件の値を表す微分方程式を使用して決定されます。

アナログコンピュータを使用して、自動的に妨害を記録し、妨害の特性と量に応じて制御信号を生成する機器を構築することもできます。

動的システムシミュレーション

シミュレーションはリアルタイムまたは非常に高速で実行できるため、変更された変数を使用して繰り返し実行を試すことができます。

それらは航空機シミュレーション、原子力発電所、さらには工業化学プロセスで広く使用されています。

部品

オペアンプ

ほとんどの電気アナログコンピュータは、電圧または電位差を操作することによって機能します。その基本コンポーネントはオペアンプです。これは、出力電流が入力電位差に比例するデバイスです。

この出力電流を適切なコンポーネントに流すことにより、より多くの電位差が得られ、加算、減算、反転、積分など、さまざまな数学演算を実行できます。

電気アナログコンピュータは、多くの種類のアンプで構成されています。これらを接続して、非常に複雑で多数の変数を持つ数式を生成できます。

油圧コンポーネント

主要な油圧コンポーネントには、パイプ、バルブ、コンテナなどがあります。

機械部品

コンピュータ、デファレンシャルギア、ディスク、ボールまたはローラーのインテグレーター、2次元および3次元のカム、機械的レゾルバとマルチプライヤ、およびサーボトルク内でデータを転送するための回転シャフトがあります。

電気および電子部品

-精密抵抗器およびコンデンサー。

-オペアンプ。

-乗数。

-ポテンショメータ。

-固定関数発生器。

数学演算の性質によると

線形

線形コンポーネントは、加算、積分、符号変更、定数による乗算などの演算を実行します。

非線形

関数発生器は非線形関係を再現します。1つ、2つ、またはそれ以上の引数から、割り当てられた関数を再現するように設計されたコンピューターコンポーネントがあります。

このクラスでは、単一引数の不連続関数を再現するデバイスと乗数除数デバイスを区別するのが一般的です。

論理的

ロジックコンポーネントの中には、さまざまな数量、ディスクリートロジックデバイス、リレースイッチング回路、および他のいくつかの特別なユニット間でより多いまたはより少ない数量を分離するように設計されたアナログロジックデバイスがあります。

すべての論理デバイスは、通常、並列論理デバイスと呼ばれる1つに結合されます。個々のロジックデバイスを相互に接続したり、コンピューターの他のアナログコンポーネントに接続したりするための独自のパッチパネルが装備されています。

タイプ

機械式コンピュータ

これらは、電子コンポーネントではなく、レバーやギアなどの機械コンポーネントから構築されています。

最も一般的な例は、機械の回転と機械的なカウンターの追加です。これらは、歯車の回転を使用して、追加またはカウントを実行します。より複雑な例では、乗算と除算、さらには微分分析を実行できます。

最も実用的な機械式コンピュータは、回転軸を使用して、ある機構から別の機構に変数を転送します。

潮汐を予測する機械であるフーリエシンセサイザーでは、ハーモニック成分を追加するケーブルとプーリーを使用しました。

初期の宇宙船の機械的飛行計器に言及することは重要です。それは、数字の形ではなく、インジケーター表面の変位を通して計算結果を示しました。

有人ソビエト宇宙船には、グロバスと呼ばれる機器が装備されていました。これは、緯度と経度の指標に加えて、小型の地球儀の変位による地球の比喩的な動きを示しています。

電気コンピュータ

通過帯域がかなり広く、他のコンピューターやデバイス制御要素への接続に便利であるため、より一般的です。

コンポーネントの機械的な相互作用ではなく、さまざまな抵抗やコンデンサを流れる電気信号を使用して、物理現象をシミュレートします。

コンピュータのアナログ要素の設計は、直流電子増幅器に基づいています。これらは開回路モードで高いゲインを持っています。

入力回路とフィードバック回路の構造に応じて、オペアンプは線形または非線形の数学演算を実行します。これらの操作の組み合わせも。

このタイプのアナログコンピュータは、航空機やミサイルのテストなど、20世紀半ばのコンピューティングおよび軍事技術で広く使用されていました。

デジタルとの違い

信号伝送

デジタル信号には、オフまたはオンの2つの離散状態があります。オフ状態は0ボルト、オン状態は5ボルトです。これが、デジタルコンピュータが0と1の形式の2進数データを使用する理由です。

アナログ信号は連続しています。-15ボルトと+15ボルトなど、2つの極値の間のどこでもかまいません。アナログ信号の電圧は一定である場合と、時間とともに変化する場合があります。

つまり、アナログコンピュータでは、データは連続信号の形で送信されます。デジタルコンピュータでは、それらは離散信号の形で送信されます。

回路タイプ

アナログコンピュータ回路は、演算増幅器、信号発生器、抵抗ネットワーク、およびコンデンサを使用します。これらの回路は、連続的な電圧信号を処理します。

デジタルコンピュータは、マイクロプロセッサ、クロックジェネレータ、ロジックゲートなど、さまざまなオン/オフ回路を使用します。

つまり、デジタルコンピュータは電子回路を使用し、アナログコンピュータは信号を連続的に流すために抵抗を使用します。

精度

アナログコンピュータは、回路の特定のレベルの電気的ノイズを処理しなければならず、その精度に影響を与えます。デジタルコンピュータの回路にも電気的ノイズがありますが、これは精度や信頼性には影響しません。

一方、アナログコンピュータでは、完全に一致する結果を繰り返すことはできません。これは、アナログコンピューターはデジタルコンピューターと比較して精度が低いことを意味します。

プログラミング

方法は異なりますが、アナログコンピューターとデジタルコンピューターの両方をプログラムできます。

デジタルコンピューターは、2つの数値の比較や乗算、ある場所から別の場所へのデータの移動など、複雑な命令シーケンスを使用します。

アナログコンピュータをプログラムするには、さまざまなサブシステムを互いにケーブルで電気的に接続します。たとえば、信号発生器を制御ノブに接続して、信号の強度を変化させます。

例

城の時計

この有名なコンピュータは、プログラミング命令を保存することができました。高さ3メートルを超えるこのデバイスは、時刻、干支、太陽と月の軌道を表示しました。

したがって、デバイスの計算部分により、ユーザーは季節に応じて1日の可変長を設定できました。1206年に説明されたように、このコンピューターは当時としては非常に複雑でした。

計算尺

最も単純で認識可能な機械式アナログコンピューターの1つは計算尺です。これは、基本的な数学的計算を概算するためのデバイスです。

ユーザーはマークされたロッドをスライドさせて、別のロッド上のさまざまなマークと位置合わせし、これらのさまざまなマークの位置合わせに基づいてデバイスを読み取ります。

微分分析器

この機械式アナログコンピュータは微分方程式を解くことができました。1800年代初頭の古い設計により、差動アナライザーは1930年代に完成し、20世紀半ばまで使用されました。

それは最初の現代のコンピューターと見なされます。重量は100トンで、150のモーターと、リレーと真空管を接続する数百マイルのケーブルが含まれていました。

今日の基準では、マシンは低速でした。実際、デスクトップの電卓を使用する人間のオペレーターよりも約100倍高速でした。

その他の例

-予測者ケリソン。

-Librascope、航空機のバランスおよび重量コンピューター。

-平面計などの機械的積分器。

-ノモグラム。

-ノルデン爆撃バイザー。

-消防に関連するコンピュータ。

-水インテグレーター。

-MONIAC、経済モデリング。

シミュレーション評議会は、米国のアナログコンピュータユーザーの団体でした。

1952年から1963年までのシミュレーション評議会のニュースレターは現在オンラインで入手できます。それらは当時の技術とアナログコンピュータの一般的な使用法を示しています。

参考文献

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