Analogais dators: definīcija, vēsture un pielietojumi
Analogie datori ir mehāniskas vai elektroniskas ierīces, kas risina problēmas. Daži no tiem tiek izmantoti, lai kontrolētu mašīnas. Kādreiz tie bija vienīgais veids, kā varēja kontrolēt mašīnas, un tos joprojām izmanto gadījumos, kad digitālie datori nav labākā izvēle.
Kas ir analogais dators?
Analogie datori darbojas ar nepārtrauktiem (analogiem) lielumiem — piemēram, spriegumu, plūsmas ātrumu, leņķi vai spiedienu — un attēlo modelējamo sistēmu ar fiziskiem lielumiem vai elektriskām vērtībām. Tā vietā, lai mainītu informāciju bināros skaitļos, tie tieši simulē sistēmas uzvedību, transformējot un kombinējot nepārtrauktus signālus. Tādēļ tos bieži izmanto, lai ātri un tieši modelētu sistēmas, kuras apraksta diferenciālvienādojumi vai nepārtraukti procesi.
Vēsture un agrīnie piemēri
Analogo ierīču izmantošana ir sena. Ļoti agrs piemērs ir Abaku, digitālo ierīci, ko dažkārt dēvē arī par datoru, izmantoja babilonieši ap 2500. gadu pirms mūsu ēras.
Agrākais zināmais analogais dators no metāla bija Antiķīteras ierīce, kas modelēja astronomiskos ciklus. Tomēr dažkārt par analogiem "rīkiem" uzskata arī citus prāta vai praktiskos izgudrojumus, taču šādos plašos definīcijas lietojumos termins zaudē konkrētumu.
Neapšaubāmi, aprēķinos liela nozīme bija diapozitīva izgudrošanai. Tos 17. gadsimtā izstrādāja Viljams Oughtreds pēc Džona Napīra darba par logaritmiem. Slīdneši (slīdņu mēraņi) noteikti ir mehāniskas skaitļošanas mašīnas — līdz 20. gadsimta 60./70. gadiem tie bija plaši izmantoti zinātnē un inženierzinātnēs.
Rūpniecības revolūcijai izšķiroša nozīme bija Džeimsa Vata izgudrotajam regulatoram, jo tas bija lielo sūkņu un dzinēju regulators ar negatīvu atgriezenisko saiti. Šis princips — fiziska sistēma, kas automātiski koriģē savu darbību pēc atgriezeniskās saites — ir būtisks daudzu analogo datoru darbībā.
Kā analogie datori strādā
Analogie datori parasti veidojami kā ķēdes vai mehāniskas sistēmas, kur katra sastāvdaļa atbilst matemātiskiem operatoriem: summēšanai, reizināšanai, diferenciēšanai, integrēšanai utt. Piemēram:
- Elektriskie analogie datori: izmanto rezistorus, kondensatorus un spoles, lai realizētu matemātiskus operatorus (integratori, diferenciatori, reizinātāji).
- Mehāniskie analogie datori: izmanto zobratus, sviras un svari, lai veiktu transformācijas un simulācijas (piemēram, slīdņi vai planēta pārnesumi).
- Hibrīdie risinājumi: apvieno analogas un digitālas daļas — analogā daļa veic ātru nepārtrauktu simulāciju, bet digitālā daļa veic precīzu vadību, uzglabā datus vai apstrādā rezultātus.
Galvenie pielietojumi
Analogie datori un analogās metodes joprojām ir noderīgas daudzos konkrētos uzdevumos:
- Reāllaika vadības sistēmas (piem., regulatori, servo sistēmas) — kur zema aizture un nepārtraukta atgriezeniskā saite ir izšķiroša.
- Fizisko procesu simulācija — aerodinamika, ķīmiskās reakcijas, mehāniskās sistēmas, ja nepieciešama tieša diferencēvienādojumu simulācija.
- Signālu apstrāde un analoga elektronika — filtrēšana, modulācija, radio frekvenču apstrāde.
- Izglītība un demonstrācijas — lai vizuāli parādītu diferenciālvienādojumu uzvedību vai sistēmu dinamiku.
- Neironu un neiroformu (neuromorphic) ierīces — energoefektīva paralēla informācijas apstrāde ar analogiem elementiem.
Priekšrocības un trūkumi
- Priekšrocības: zema aizture, dabīga simulācija nepārtrauktām sistēmām, spēja darboties bez diskretizācijas kļūdām, labas īpašības enerģijas efektivitātes ziņā speciālos risinājumos.
- Trūkumi: mazāka precizitāte un atkārtojamība salīdzinājumā ar digitālajiem datoriem, jutīgums pret trokšņiem un komponentu novirzēm, grūtāk reproducējami un sarežģītāki parametrizēt.
Mūsdienu un nākotnes virzieni
Lai gan digitālie datori dominē, analogās metodes atgriežas uzmanības lokā dažādos specializētos risinājumos:
- energoefektīvas neiroinspirētas mikroshēmas;
- jauni hibrīdā darbības (analogā + digitālā) risinājumi reāllaika simulācijām;
- optiskie analogie procesori signālu apstrādei un mašīnmācībai lielos ātrumos.
Kopsavilkums: Analogais dators ir plašs jēdziens, kas aptver gan senas mehāniskas ierīces, gan mūsdienīgas elektroniskas sistēmas, kuru pamatā ir nepārtraukti lielumi. Tie ir īpaši piemēroti tam, lai tieši modelētu reālus, nepārtrauktus procesus un nodrošinātu ātru reāllaika reakciju tur, kur digitālajiem risinājumiem var rasties ierobežojumi.
Astolabe, īpašs dators zvaigžņu stāvokļa noteikšanai
Boulton & Watt dzinējs 1788: goverors ir labajā pusē
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir analogie datori?
A: Analogie datori ir mehāniskas vai elektroniskas ierīces, kas risina problēmas un ko var izmantot mašīnu vadībai.
J: Kad tika izgudrots abaks?
A: Abaku, digitālo ierīci, ko dažkārt dēvē arī par datoru, izmantoja babilonieši ap 2500. gadu pirms mūsu ēras.
Jautājums: Kas izstrādāja slīpmašīnu?
A: Slaidu noteikumu 17. gadsimtā izstrādāja Viljams Oughtreds pēc Džona Napjēra darba par logaritmiem.
J: Kā Džeimsa Vata (James Watt) regulators veicināja industriālo revolūciju?
A: Džeimsa Vata regulators bija izšķirošs rūpniecības revolūcijai, jo tas bija lielo sūkņu un dzinēju regulators ar negatīvu atgriezenisko saiti.
J: Vai analogie datori ir digitāli vai uz nepārtrauktiem datiem balstīti datori?
A: Analogie datori strādā ar nepārtrauktiem datiem, nevis diskrētiem vai digitāliem datiem. Tie ir kā reālās pasaules abstrakti modeļi.
J: Vai rokas pulksteņi ar apaļiem slaidiem bija izplatīti pirms 1960./1970. gadiem?
A: Pirms 1960./1970. gadiem dažos rokas pulksteņos bija iebūvēts apaļais slaids, un tos galvenokārt izmantoja aviācijā, taču tos uzskatīja par pārāk tehniskiem vairumam citu pulksteņu lietotāju.
J: Vai kopš tā laika ir bijuši kādi ievērojami apļveida bīdāmo noteikumu pielietojumi?
A: Kopš 20. gadsimta vidus nav bijis ievērojamu apļveida bīdāmo noteikumu digitālu lietojumu.
