Una computadora analógica o computadora analógica es un tipo de máquina de computación (computadora) que utiliza el aspecto de variación continua de fenómenos físicos como cantidades eléctricas , mecánicas o hidráulicas ( señales analógicas ) para modelar el problema que se resuelve. Por el contrario, las computadoras digitales representan cantidades variables simbólicamente y mediante valores discretos tanto de tiempo como de amplitud ( señales digitales ).
Las computadoras analógicas pueden tener una gama muy amplia de complejidad. Las reglas de cálculo y los nomogramas son los más simples, mientras que las computadoras de control de disparos navales y las grandes computadoras híbridas digitales/analógicas se encuentran entre las más complicadas. [1] Mecanismos complejos para control de procesos y relés de protección utilizaban computación analógica para realizar funciones de control y protección.
Las computadoras analógicas se utilizaron ampliamente en aplicaciones científicas e industriales incluso después de la llegada de las computadoras digitales, porque en ese momento eran típicamente mucho más rápidas, pero comenzaron a volverse obsoletas ya en los años 1950 y 1960, aunque siguieron utilizándose en algunos sectores específicos. aplicaciones, como simuladores de vuelo de aviones , computadoras de vuelo en aviones y para la enseñanza de sistemas de control en universidades. Quizás el ejemplo más identificable de computadoras analógicas son los relojes mecánicos donde la rotación continua y periódica de engranajes interconectados impulsa las agujas de segundos, minutos y horas del reloj. Aplicaciones más complejas, como los simuladores de vuelo de aviones y los radares de apertura sintética , siguieron siendo dominio de la computación analógica (y de la computación híbrida ) hasta bien entrada la década de 1980, ya que las computadoras digitales eran insuficientes para la tarea. [2]
Esta es una lista de ejemplos de los primeros dispositivos informáticos considerados precursores de las computadoras modernas. Es posible que algunos de ellos incluso hayan sido denominados "computadoras" por la prensa, aunque es posible que no se ajusten a las definiciones modernas.
El mecanismo de Antikythera , un tipo de dispositivo utilizado para determinar las posiciones de los cuerpos celestes conocido como planetario , fue descrito como una de las primeras computadoras analógicas mecánicas por el físico, científico de la información e historiador de la ciencia británico Derek J. de Solla Price . [3] Fue descubierto en 1901, en los restos del naufragio de Antikythera frente a la isla griega de Antikythera , entre Kythera y Creta , y ha sido fechado en c. 150~100 a.C. , durante el período helenístico . Dispositivos de un nivel de complejidad comparable al del mecanismo de Antikythera no reaparecerían hasta mil años después.
Se construyeron muchas ayudas mecánicas para el cálculo y la medición para uso astronómico y de navegación. El planisferio fue descrito por primera vez por Ptolomeo en el siglo II d.C. El astrolabio fue inventado en el mundo helenístico en el siglo I o II a. C. y a menudo se atribuye a Hiparco . Una combinación del planisferio y la dioptra , el astrolabio era efectivamente una computadora analógica capaz de resolver varios tipos diferentes de problemas en astronomía esférica .
El sector , un instrumento de cálculo utilizado para resolver problemas de proporción, trigonometría, multiplicación y división, y para diversas funciones, como cuadrados y raíces cúbicas, se desarrolló a finales del siglo XVI y encontró aplicación en artillería, topografía y navegación.
El planímetro era un instrumento manual para calcular el área de una figura cerrada trazándola con un varillaje mecánico.
La regla de cálculo se inventó alrededor de 1620-1630, poco después de la publicación del concepto de logaritmo . Es una computadora analógica manual para realizar multiplicaciones y divisiones. A medida que avanzaba el desarrollo de las reglas de cálculo, se agregaron escalas que proporcionaron recíprocos, cuadrados y raíces cuadradas, cubos y raíces cúbicas, así como funciones trascendentales como logaritmos y exponenciales, trigonometría circular e hiperbólica y otras funciones . La aviación es uno de los pocos campos donde las reglas de cálculo todavía se utilizan ampliamente, particularmente para resolver problemas de tiempo-distancia en aviones ligeros.
En 1831-1835, el matemático e ingeniero Giovanni Plana ideó una máquina de calendario perpetuo que, mediante un sistema de poleas y cilindros, podía predecir el calendario perpetuo para cada año desde el año 0 d.C. (es decir, el año 1 a.C.) hasta el año 4000 d.C., manteniendo seguimiento de los años bisiestos y la duración variable de los días. [4]
La máquina de predicción de mareas inventada por Sir William Thomson en 1872 resultó de gran utilidad para la navegación en aguas poco profundas. Utilizó un sistema de poleas y cables para calcular automáticamente los niveles de marea previstos para un período determinado en un lugar determinado.
El analizador diferencial , una computadora analógica mecánica diseñada para resolver ecuaciones diferenciales por integración , utilizaba mecanismos de rueda y disco para realizar la integración. En 1876, James Thomson ya había discutido la posible construcción de tales calculadoras, pero se había visto obstaculizado por el par de salida limitado de los integradores de bolas y discos . Siguieron varios sistemas similares, en particular los del ingeniero español Leonardo Torres Quevedo , quien construyó varias máquinas para resolver raíces reales y complejas de polinomios ; [5] [6] [7] y Michelson y Stratton, cuyo analizador armónico realizó análisis de Fourier, pero utilizando una serie de 80 resortes en lugar de integradores Kelvin. Este trabajo condujo a la comprensión matemática del fenómeno de Gibbs de sobreimpulso en la representación de Fourier cerca de discontinuidades. [8] En un analizador diferencial, la salida de un integrador impulsó la entrada del siguiente integrador, o una salida gráfica. El amplificador de par fue el avance que permitió funcionar a estas máquinas. A partir de la década de 1920, Vannevar Bush y otros desarrollaron analizadores diferenciales mecánicos.
El Dumaresq fue un dispositivo de cálculo mecánico inventado alrededor de 1902 por el teniente John Dumaresq de la Royal Navy . Era una computadora analógica que relacionaba variables vitales del problema de control de fuego con el movimiento del propio barco y el del barco objetivo. A menudo se usaba con otros dispositivos, como un reloj de alcance Vickers para generar datos de alcance y deflexión para que las miras del barco pudieran configurarse continuamente. Se produjeron varias versiones del Dumaresq de complejidad creciente a medida que avanzaba el desarrollo.
En 1912, Arthur Pollen había desarrollado una computadora analógica mecánica accionada eléctricamente para sistemas de control de incendios , basada en el analizador diferencial. Fue utilizado por la Armada Imperial Rusa en la Primera Guerra Mundial . [9]
A partir de 1929, se construyeron analizadores de redes de CA para resolver problemas de cálculo relacionados con sistemas de energía eléctrica que en ese momento eran demasiado grandes para resolverlos con métodos numéricos . [10] Estos eran esencialmente modelos a escala de las propiedades eléctricas del sistema de tamaño completo. Dado que los analizadores de redes podían manejar problemas demasiado grandes para los métodos analíticos o el cálculo manual, también se utilizaron para resolver problemas de física nuclear y de diseño de estructuras. A finales de los años 50 se construyeron más de 50 analizadores de redes de gran tamaño.
Los directores de armas de la época de la Segunda Guerra Mundial , las computadoras de datos de armas y las miras de bombas usaban computadoras mecánicas analógicas. En 1942, Helmut Hölzer construyó una computadora analógica totalmente electrónica en el Centro de Investigación del Ejército de Peenemünde [11] [12] [13] como un sistema de control integrado ( dispositivo de mezcla ) para calcular las trayectorias de los cohetes V-2 a partir de las aceleraciones y orientaciones (medidas por giroscopios ). y estabilizar y guiar el misil. [14] [15] Las computadoras analógicas mecánicas fueron muy importantes en el control de disparos de armas en la Segunda Guerra Mundial, la Guerra de Corea y mucho después de la Guerra de Vietnam; se fabricaron en cantidades significativas.
En el período 1930-1945, Johan van Veen desarrolló en los Países Bajos una computadora analógica para calcular y predecir las corrientes de marea cuando cambia la geometría de los canales. Alrededor de 1950, esta idea se desarrolló en el Deltar , una computadora de analogía hidráulica que apoyaba el cierre de estuarios en el suroeste de los Países Bajos (las Obras Delta ).
El FERMIAC fue una computadora analógica inventada por el físico Enrico Fermi en 1947 para ayudarlo en sus estudios sobre el transporte de neutrones. [16] Project Cyclone fue una computadora analógica desarrollada por Reeves en 1950 para el análisis y diseño de sistemas dinámicos. [17] Project Typhoon era una computadora analógica desarrollada por RCA en 1952. Constaba de más de 4.000 tubos de electrones y utilizaba 100 diales y 6.000 conectores enchufables para programar. [18] La computadora MONIAC fue una analogía hidráulica de una economía nacional presentada por primera vez en 1949. [19]
Computer Engineering Associates se separó de Caltech en 1950 para brindar servicios comerciales utilizando la "Computadora analógica eléctrica de analogía directa" ("la instalación analizadora de propósito general más grande e impresionante para la solución de problemas de campo") desarrollada allí por Gilbert D. McCann. , Charles H. Wilts y Bart Locanthi . [20] [21]
Las computadoras analógicas educativas ilustraron los principios del cálculo analógico. El Heathkit EC-1, un ordenador analógico educativo de 199 dólares, fue fabricado por Heath Company, EE.UU. c. 1960 . [22] Fue programado utilizando cables de conexión que conectaban nueve amplificadores operacionales y otros componentes. [23] General Electric también comercializó un kit de computadora analógico "educativo" de diseño simple a principios de la década de 1960 que constaba de dos generadores de tonos de transistores y tres potenciómetros conectados de manera que la frecuencia del oscilador se anulaba cuando los diales del potenciómetro se colocaban manualmente para satisfacer una ecuación. La resistencia relativa del potenciómetro era entonces equivalente a la fórmula de la ecuación que se estaba resolviendo. Se podía realizar una multiplicación o división, dependiendo de qué diales eran entradas y cuál era salida. La precisión y la resolución eran limitadas y una regla de cálculo simple era más precisa. Sin embargo, la unidad demostró el principio básico.
Los diseños de computadoras analógicas se publicaron en revistas de electrónica. Un ejemplo es el PEAC (computadora analógica de Practical Electronics), publicado en Practical Electronics en la edición de enero de 1968. [24] Otro diseño de computadora híbrida más moderno se publicó en Everyday Practical Electronics en 2002. [25] Un ejemplo descrito en la computadora híbrida EPE fue el vuelo de un avión VTOL como el jet de salto Harrier . [25] La altitud y la velocidad de la aeronave se calcularon mediante la parte analógica de la computadora y se enviaron a una PC a través de un microprocesador digital y se mostraron en la pantalla de la PC.
En el control de procesos industriales , se utilizaban controladores de bucle analógico para regular automáticamente la temperatura, el flujo, la presión u otras condiciones del proceso. La tecnología de estos controladores abarcaba desde integradores puramente mecánicos, pasando por dispositivos de tubos de vacío y de estado sólido, hasta la emulación de controladores analógicos mediante microprocesadores.
La similitud entre componentes mecánicos lineales, como resortes y amortiguadores de fluido viscoso, y componentes eléctricos, como capacitores , inductores y resistencias, es sorprendente en términos matemáticos. Se pueden modelar usando ecuaciones de la misma forma.
Sin embargo, la diferencia entre estos sistemas es lo que hace que la computación analógica sea útil. Los sistemas complejos a menudo no son susceptibles de análisis con lápiz y papel y requieren algún tipo de prueba o simulación. Los sistemas mecánicos complejos, como las suspensiones de los coches de carreras, son caros de fabricar y difíciles de modificar. Y tomar medidas mecánicas precisas durante las pruebas de alta velocidad añade más dificultades.
Por el contrario, resulta muy económico construir un equivalente eléctrico de un sistema mecánico complejo para simular su comportamiento. Los ingenieros organizan algunos amplificadores operacionales (op amps) y algunos componentes lineales pasivos para formar un circuito que sigue las mismas ecuaciones que el sistema mecánico que se simula. Todas las medidas se pueden tomar directamente con un osciloscopio . En el circuito, la rigidez (simulada) del resorte, por ejemplo, se puede cambiar ajustando los parámetros de un integrador. El sistema eléctrico es una analogía con el sistema físico, de ahí el nombre, pero es mucho menos costoso que un prototipo mecánico, mucho más fácil de modificar y, en general, más seguro.
También se puede hacer que el circuito electrónico funcione más rápido o más lento que el sistema físico que se está simulando. Los usuarios experimentados de computadoras analógicas electrónicas dijeron que ofrecían un control y una comprensión del problema comparativamente íntimos, en comparación con las simulaciones digitales.
Las computadoras analógicas electrónicas son especialmente adecuadas para representar situaciones descritas mediante ecuaciones diferenciales. Históricamente, se utilizaban a menudo cuando un sistema de ecuaciones diferenciales resultaba muy difícil de resolver por medios tradicionales. Como ejemplo simple, la dinámica de un sistema resorte-masa se puede describir mediante la ecuación , como la posición vertical de una masa , el coeficiente de amortiguación , la constante del resorte y la gravedad de la Tierra . Para computación analógica, la ecuación se programa como . El circuito analógico equivalente consta de dos integradores para las variables de estado (velocidad) y (posición), un inversor y tres potenciómetros.
Las computadoras analógicas electrónicas tienen desventajas: el valor de la tensión de alimentación del circuito limita el rango en el que pueden variar las variables (ya que el valor de una variable está representado por una tensión en un cable en particular). Por lo tanto, cada problema debe escalarse de manera que sus parámetros y dimensiones puedan representarse usando voltajes que el circuito puede suministrar (por ejemplo, las magnitudes esperadas de la velocidad y la posición de un péndulo de resorte ). Las variables mal escaladas pueden tener sus valores "fijados" por los límites de la tensión de alimentación. O si se escalan demasiado pequeños, pueden sufrir niveles de ruido más altos . Cualquiera de los problemas puede hacer que el circuito produzca una simulación incorrecta del sistema físico. (Las simulaciones digitales modernas son mucho más robustas ante valores muy variables de sus variables, pero aún no son completamente inmunes a estas preocupaciones: los cálculos digitales de punto flotante admiten un rango dinámico enorme, pero pueden adolecer de imprecisión si pequeñas diferencias de valores enormes conducen a inestabilidad numérica .)
La precisión de la lectura de la computadora analógica estaba limitada principalmente por la precisión del equipo de lectura utilizado, generalmente tres o cuatro cifras significativas. (Las simulaciones digitales modernas son mucho mejores en esta área. La aritmética digital de precisión arbitraria puede proporcionar cualquier grado de precisión deseado). Sin embargo, en la mayoría de los casos la precisión de una computadora analógica es absolutamente suficiente dada la incertidumbre de las características del modelo y sus parámetros técnicos. .
Muchas computadoras pequeñas dedicadas a cálculos específicos todavía forman parte de los equipos de regulación industrial, pero desde la década de 1950 hasta la de 1970, las computadoras analógicas de uso general fueron los únicos sistemas lo suficientemente rápidos para la simulación en tiempo real de sistemas dinámicos, especialmente en los sectores aeronáutico, militar y aeroespacial. campo.
En la década de 1960, el principal fabricante era Electronic Associates de Princeton, Nueva Jersey , con su computadora analógica 231R (tubos de vacío, 20 integradores) y posteriormente su computadora analógica EAI 8800 (amplificadores operacionales de estado sólido, 64 integradores). [26] Su rival fue Applied Dynamics de Ann Arbor, Michigan .
Aunque la tecnología básica de las computadoras analógicas suele ser amplificadores operacionales (también llamados "amplificadores de corriente continua" porque no tienen limitación de baja frecuencia), en la década de 1960 se intentó en la computadora francesa ANALAC utilizar una tecnología alternativa: portadora de frecuencia media y Circuitos reversibles no disipativos.
En los años 1970, toda gran empresa y administración preocupada por problemas dinámicos disponía de un centro de cálculo analógico, como por ejemplo:
Una máquina informática analógica consta de varios componentes principales: [27] [28] [29] [30]
En el panel de conexiones, se pueden configurar y cambiar varias conexiones y rutas para configurar la máquina y determinar los flujos de señales. Esto permite a los usuarios configurar y reconfigurar de manera flexible el sistema informático analógico para realizar tareas específicas.
Los paneles de conexión se utilizan para controlar los flujos de datos , conectar y desconectar conexiones entre varios bloques del sistema, incluidas fuentes de señal, amplificadores, filtros y otros componentes. Proporcionan comodidad y flexibilidad a la hora de configurar y experimentar con cálculos analógicos.
Los patch paneles pueden presentarse como un panel físico con conectores o, en sistemas más modernos, como una interfaz de software que permite la gestión virtual de conexiones y rutas de señales.
Los dispositivos de salida en máquinas analógicas pueden variar según los objetivos específicos del sistema. Por ejemplo, podrían ser indicadores gráficos, osciloscopios , dispositivos de registro gráfico, módulo de conexión a TV, voltímetro , etc. Estos dispositivos permiten la visualización de señales analógicas y la representación de los resultados de mediciones u operaciones matemáticas.
Estos son sólo bloques generales que se pueden encontrar en una máquina informática analógica típica. La configuración y los componentes reales pueden variar según la implementación específica y el uso previsto de la máquina.
Los dispositivos informáticos analógicos son rápidos; Los dispositivos informáticos digitales son más versátiles y precisos. La idea detrás de un híbrido analógico-digital es combinar los dos procesos para lograr la mejor eficiencia. Un ejemplo de dicho dispositivo elemental híbrido es el multiplicador híbrido, donde una entrada es una señal analógica, la otra entrada es una señal digital y la salida es analógica. Actúa como un potenciómetro analógico, actualizable digitalmente. Este tipo de técnica híbrida se utiliza principalmente para cálculos rápidos y dedicados en tiempo real cuando el tiempo de cálculo es muy crítico, como procesamiento de señales para radares y, en general, para controladores en sistemas integrados .
A principios de la década de 1970, los fabricantes de computadoras analógicas intentaron unir sus computadoras analógicas con computadoras digitales para aprovechar las ventajas de las dos técnicas. En tales sistemas, la computadora digital controlaba la computadora analógica, proporcionando la configuración inicial, iniciando múltiples ejecuciones analógicas y alimentando y recopilando datos automáticamente. La computadora digital también puede participar en el cálculo mismo utilizando convertidores analógico-digital y digital-analógico .
El mayor fabricante de computadoras híbridas fue Electronic Associates . Su computadora híbrida modelo 8900 estaba hecha de una computadora digital y una o más consolas analógicas. Estos sistemas se dedicaron principalmente a grandes proyectos como el programa Apollo y el transbordador espacial de la NASA , o el Ariane en Europa, especialmente durante la etapa de integración donde al principio todo es simulado y progresivamente componentes reales reemplazan sus partes simuladas. [31]
Sólo una empresa era conocida por ofrecer servicios informáticos comerciales generales en sus computadoras híbridas, CISI de Francia, en la década de 1970.
La mejor referencia en este campo son las 100.000 simulaciones realizadas para cada certificación de los sistemas de aterrizaje automático de los aviones Airbus y Concorde . [32]
Después de 1980, las computadoras puramente digitales progresaron cada vez más rápidamente y fueron lo suficientemente rápidas como para competir con las computadoras analógicas. Una clave para la velocidad de las computadoras analógicas era su cálculo totalmente paralelo, pero esto también era una limitación. Cuantas más ecuaciones se requerían para un problema, más componentes analógicos se necesitaban, incluso cuando el problema no era crítico en términos de tiempo. "Programar" un problema implicaba interconectar los operadores analógicos; Incluso con un panel de cableado extraíble, esto no era muy versátil.
Si bien a lo largo de la historia se han desarrollado una gran variedad de mecanismos, algunos destacan por su importancia teórica o porque fueron fabricados en cantidades significativas.
La mayoría de las computadoras analógicas mecánicas prácticas de complejidad significativa usaban ejes giratorios para transportar variables de un mecanismo a otro. Se utilizaron cables y poleas en un sintetizador de Fourier, una máquina de predicción de mareas , que sumaba los componentes armónicos individuales. Otra categoría, no tan conocida, utilizaba ejes giratorios sólo para entrada y salida, con cremalleras y piñones de precisión. Los bastidores estaban conectados a enlaces que realizaban el cálculo. Al menos una computadora de control de fuego de sonar naval estadounidense de finales de la década de 1950, fabricada por Librascope, era de este tipo, al igual que la computadora principal del Mk. Sistema de control de fuego de 56 armas.
En línea, hay una referencia ilustrada notablemente clara (OP 1140) [33] que describe los mecanismos informáticos de control de incendios. [33] Para sumar y restar, los diferenciales de engranajes de inglete de precisión eran de uso común en algunas computadoras; la computadora de control de incendios Ford Instrument Mark I contenía alrededor de 160 de ellos.
La integración con respecto a otra variable se realizó mediante un disco giratorio impulsado por una variable. La salida procedía de un dispositivo de recogida (como una rueda) colocado en un radio del disco proporcional a la segunda variable. (Un soporte con un par de bolas de acero sostenidas por pequeños rodillos funcionó especialmente bien. Un rodillo, con su eje paralelo a la superficie del disco, proporcionó la salida. Estaba sostenido contra el par de bolas mediante un resorte).
Las funciones arbitrarias de una variable las proporcionaban levas, con engranajes para convertir el movimiento del seguidor en rotación del eje.
Las funciones de dos variables fueron proporcionadas por levas tridimensionales. En un buen diseño, una de las variables hacía girar la leva. Un seguidor hemisférico movía su portador sobre un eje de pivote paralelo al eje de rotación de la leva. El movimiento giratorio fue el resultado. La segunda variable movió el seguidor a lo largo del eje de la leva. Una aplicación práctica fue la balística en artillería.
La conversión de coordenadas de polar a rectangular se realizó mediante un solucionador mecánico (llamado "solucionador de componentes" en las computadoras de control de incendios de la Marina de los EE. UU.). Dos discos en un eje común colocaron un bloque deslizante con un pasador (eje corto). Un disco era una leva frontal y un seguidor en el bloque en la ranura de la leva frontal establecía el radio. El otro disco, más cercano al pasador, contenía una ranura recta por la que se movía el bloque. El ángulo de entrada hizo girar este último disco (el disco de leva frontal, para un radio constante, giró con el otro disco (en ángulo); un diferencial y algunos engranajes hicieron esta corrección).
En referencia al marco del mecanismo, la ubicación del pasador correspondía a la punta del vector representado por las entradas de ángulo y magnitud. Montado en ese alfiler había un bloque cuadrado.
Las salidas de coordenadas rectilíneas (tanto seno como coseno, típicamente) provenían de dos placas ranuradas, cada ranura encajaba en el bloque que acabamos de mencionar. Las placas se movían en línea recta, el movimiento de una placa formaba ángulos rectos con el de la otra. Las ranuras estaban en ángulo recto con respecto a la dirección del movimiento. Cada plato, por sí solo, era como una yugo escocés , conocido por los entusiastas de las máquinas de vapor.
Durante la Segunda Guerra Mundial, un mecanismo similar convirtió coordenadas rectilíneas en polares, pero no tuvo mucho éxito y fue eliminado en un rediseño significativo (USN, Mk. 1 a Mk. 1A).
La multiplicación se realizaba mediante mecanismos basados en la geometría de triángulos rectángulos semejantes. Usando los términos trigonométricos para un triángulo rectángulo, específicamente opuesto, adyacente e hipotenusa, el lado adyacente se fijó por construcción. Una variable cambió la magnitud del lado opuesto. En muchos casos, esta variable cambió de signo; la hipotenusa podría coincidir con el lado adyacente (una entrada cero) o moverse más allá del lado adyacente, lo que representa un cambio de signo.
Normalmente, una cremallera accionada por piñón que se mueve paralela al lado opuesto (definido trigonométricamente) colocaría una corredera con una ranura coincidente con la hipotenusa. Un pivote en el estante permite que el ángulo de la diapositiva cambie libremente. En el otro extremo de la diapositiva (el ángulo, en términos trigonométricos), un bloque sobre un alfiler fijado al marco definía el vértice entre la hipotenusa y el lado adyacente.
A cualquier distancia a lo largo del lado adyacente, una línea perpendicular a él corta la hipotenusa en un punto particular. La distancia entre ese punto y el lado adyacente es una fracción que es el producto de 1 la distancia desde el vértice y 2 la magnitud del lado opuesto.
La segunda variable de entrada en este tipo de multiplicador posiciona una placa ranurada perpendicular al lado adyacente. Esa ranura contiene un bloque, y la posición de ese bloque en su ranura está determinada por otro bloque justo al lado. Este último se desliza a lo largo de la hipotenusa, por lo que los dos bloques se colocan a una distancia del lado adyacente (trig.) en una cantidad proporcional al producto.
Para proporcionar el producto como salida, un tercer elemento, otra placa ranurada, también se mueve paralela al lado opuesto (trig.) del triángulo teórico. Como es habitual, la ranura es perpendicular a la dirección del movimiento. Un bloque en su ranura, pivotado hacia el bloque de hipotenusa, lo posiciona.
Un tipo especial de integrador, utilizado en un punto donde sólo se necesitaba una precisión moderada, se basaba en una bola de acero, en lugar de un disco. Tenía dos entradas, una para rotar la bola y la otra para definir el ángulo del eje de rotación de la bola. Ese eje siempre estuvo en un plano que contenía los ejes de dos rodillos de captura de movimiento, bastante similar al mecanismo de un mouse de computadora con bola rodante (en ese mecanismo, los rodillos de captura tenían aproximadamente el mismo diámetro que la bola). . Los ejes de los rodillos de recogida estaban en ángulo recto.
Un par de rodillos "arriba" y "debajo" del plano de recogida estaban montados en soportes giratorios engranados juntos. Ese engranaje fue impulsado por la entrada del ángulo y estableció el eje de rotación de la bola. La otra entrada hizo girar el rodillo "inferior" para hacer girar la bola.
Básicamente, todo el mecanismo, llamado integrador de componentes, era un variador de velocidad con una entrada de movimiento y dos salidas, así como una entrada de ángulo. La entrada del ángulo varió la relación (y la dirección) de acoplamiento entre la entrada de "movimiento" y las salidas de acuerdo con el seno y el coseno del ángulo de entrada.
Aunque no realizaron ningún cálculo, los servos de posición electromecánicos eran esenciales en las computadoras mecánicas analógicas del tipo "eje giratorio" para proporcionar par de operación a las entradas de los mecanismos informáticos posteriores, así como para accionar dispositivos de transmisión de datos de salida, como los de gran par. -sincronizadores de transmisores en computadoras navales.
Otros mecanismos de lectura, que no formaban parte directamente del cálculo, incluían contadores internos similares a odómetros con diales de tambor de interpolación para indicar variables internas y topes de límite mecánicos de múltiples vueltas.
Teniendo en cuenta que la velocidad de rotación controlada con precisión en las computadoras analógicas de control de fuego era un elemento básico de su precisión, había un motor con su velocidad promedio controlada por un volante, una espiral, un diferencial con cojinetes de joyas, una leva de dos lóbulos y un resorte. contactos cargados (la frecuencia de alimentación de CA del barco no era necesariamente precisa ni lo suficientemente confiable cuando se diseñaron estas computadoras).
Las computadoras analógicas electrónicas generalmente tienen paneles frontales con numerosos conectores (enchufes de contacto único) que permiten que los cables de conexión (cables flexibles con enchufes en ambos extremos) creen las interconexiones que definen la configuración del problema. Además, existen potenciómetros de precisión de alta resolución (resistencias variables) para configurar (y, cuando sea necesario, variar) factores de escala. Además, suele haber un medidor de tipo puntero analógico de centro cero para mediciones de voltaje de precisión modesta. Las fuentes de voltaje estables y precisas proporcionan magnitudes conocidas.
Las computadoras analógicas electrónicas típicas contienen desde unos pocos hasta cien o más amplificadores operacionales ("amplificadores operacionales"), llamados así porque realizan operaciones matemáticas. Los amplificadores operacionales son un tipo particular de amplificador de retroalimentación con muy alta ganancia y entrada estable (compensación baja y estable). Siempre se utilizan con componentes de retroalimentación de precisión que, en funcionamiento, prácticamente anulan las corrientes que llegan de los componentes de entrada. La mayoría de los amplificadores operacionales en una configuración representativa son amplificadores sumadores, que suman y restan voltajes analógicos, proporcionando el resultado en sus tomas de salida. Además, los amplificadores operacionales con retroalimentación de condensador generalmente se incluyen en una configuración; integran la suma de sus insumos con respecto al tiempo.
La integración con respecto a otra variable es competencia casi exclusiva de los integradores mecánicos analógicos; Casi nunca se hace en computadoras electrónicas analógicas. Sin embargo, dado que la solución de un problema no cambia con el tiempo, el tiempo puede servir como una de las variables.
Otros elementos informáticos incluyen multiplicadores analógicos, generadores de funciones no lineales y comparadores analógicos.
Los elementos eléctricos como inductores y condensadores utilizados en computadoras eléctricas analógicas tuvieron que fabricarse cuidadosamente para reducir los efectos no ideales. Por ejemplo, en la construcción de analizadores de redes de alimentación de CA , un motivo para utilizar frecuencias más altas para la calculadora (en lugar de la frecuencia de alimentación real) fue que se podían fabricar más fácilmente inductores de mayor calidad. Muchas computadoras analógicas de uso general evitaron por completo el uso de inductores, reformulando el problema de una forma que pudiera resolverse usando sólo elementos resistivos y capacitivos, ya que los capacitores de alta calidad son relativamente fáciles de fabricar.
El uso de propiedades eléctricas en computadoras analógicas significa que los cálculos normalmente se realizan en tiempo real (o más rápido), a una velocidad determinada principalmente por la respuesta de frecuencia de los amplificadores operacionales y otros elementos informáticos. En la historia de las computadoras analógicas electrónicas, hubo algunos tipos especiales de alta velocidad.
Las funciones y cálculos no lineales se pueden construir con una precisión limitada (tres o cuatro dígitos) diseñando generadores de funciones : circuitos especiales de varias combinaciones de resistencias y diodos para proporcionar la no linealidad. Normalmente, a medida que aumenta el voltaje de entrada, conducen progresivamente más diodos.
Cuando se compensa la temperatura, la caída de voltaje directo de la unión base-emisor de un transistor puede proporcionar una función logarítmica o exponencial útil y precisa. Los amplificadores operacionales escalan el voltaje de salida para que sea utilizable con el resto de la computadora.
Cualquier proceso físico que modele algún cálculo puede interpretarse como una computadora analógica. Algunos ejemplos, inventados con el propósito de ilustrar el concepto de computación analógica, incluyen el uso de un manojo de espaguetis como modelo para clasificar números ; una tabla, un juego de clavos y una banda elástica como modelo para encontrar el casco convexo de un conjunto de puntos; y cuerdas unidas como modelo para encontrar el camino más corto en una red. Todos ellos se describen en Dewdney (1984).
Las computadoras analógicas a menudo tienen un marco complicado, pero tienen, en esencia, un conjunto de componentes clave que realizan los cálculos. El operador los manipula a través del marco de la computadora.
Los componentes hidráulicos clave pueden incluir tuberías, válvulas y contenedores.
Los componentes mecánicos clave pueden incluir ejes giratorios para transportar datos dentro de la computadora, diferenciales de engranajes de inglete , integradores de disco/bola/rodillo, levas (2-D y 3-D), multiplicadores y resolutores mecánicos y servos de torsión.
Los componentes eléctricos/electrónicos clave pueden incluir:
Las operaciones matemáticas principales utilizadas en una computadora analógica eléctrica son:
En algunos diseños de computadoras analógicas, se prefiere la multiplicación a la división. La división se realiza con un multiplicador en la ruta de retroalimentación de un Amplificador Operacional.
La diferenciación con respecto al tiempo no se utiliza con frecuencia y, en la práctica, se evita redefiniendo el problema cuando sea posible. Corresponde en el dominio de la frecuencia a un filtro de paso alto, lo que significa que el ruido de alta frecuencia se amplifica; la diferenciación también corre el riesgo de inestabilidad.
En general, las computadoras analógicas están limitadas por efectos no ideales. Una señal analógica se compone de cuatro componentes básicos: magnitudes CC y CA, frecuencia y fase. Los límites reales de alcance de estas características limitan a los ordenadores analógicos. Algunos de estos límites incluyen la compensación del amplificador operacional, la ganancia finita y la respuesta de frecuencia, el ruido de fondo , las no linealidades , el coeficiente de temperatura y los efectos parásitos dentro de los dispositivos semiconductores. Para los componentes electrónicos disponibles comercialmente, los rangos de estos aspectos de las señales de entrada y salida son siempre cifras de mérito .
Entre los años 1950 y 1970, las computadoras digitales basadas primero en tubos de vacío, transistores, circuitos integrados y luego microprocesadores se volvieron más económicas y precisas. Esto llevó a que las computadoras digitales reemplazaran en gran medida a las computadoras analógicas. Aun así, todavía se están realizando algunas investigaciones en computación analógica. Algunas universidades todavía utilizan computadoras analógicas para enseñar teoría de sistemas de control . La empresa estadounidense Comdyna fabricaba pequeños ordenadores analógicos. [34] En la Universidad de Indiana en Bloomington, Jonathan Mills ha desarrollado la computadora analógica extendida basada en voltajes de muestreo en una lámina de espuma. [35] En el Laboratorio de Robótica de Harvard, [36] la computación analógica es un tema de investigación. Los circuitos de corrección de errores de Lyric Semiconductor utilizan señales probabilísticas analógicas. Las reglas de cálculo todavía se utilizan como computadoras de vuelo en el entrenamiento de vuelo .
Con el desarrollo de la tecnología de integración a muy gran escala (VLSI), el grupo de Yannis Tsividis de la Universidad de Columbia ha estado revisando el diseño de computadoras analógicas/híbridas en el proceso CMOS estándar. Se han desarrollado dos chips VLSI, un ordenador analógico de orden 80 (250 nm) por Glenn Cowan [37] en 2005 [38] y un ordenador híbrido de orden 4 (65 nm) desarrollado por Ning Guo en 2015, [39] ambos dirigido a aplicaciones ODE/PDE energéticamente eficientes. El chip de Glenn contiene 16 macros, en las que hay 25 bloques informáticos analógicos, a saber, integradores, multiplicadores, fanouts y algunos bloques no lineales. El chip de Ning contiene un macrobloque, en el que hay 26 bloques informáticos que incluyen integradores, multiplicadores, fanouts, ADC, SRAM y DAC. La generación arbitraria de funciones no lineales es posible gracias a la cadena ADC+SRAM+DAC, donde el bloque SRAM almacena los datos de las funciones no lineales. Los experimentos de las publicaciones relacionadas revelaron que las computadoras analógicas/híbridas VLSI demostraron una ventaja de entre 1 y 2 órdenes de magnitud tanto en tiempo de solución como en energía, al tiempo que lograron una precisión dentro del 5%, lo que apunta a la promesa del uso de técnicas de computación analógica/híbrida en el área. de cálculo aproximado energéticamente eficiente. [ cita necesaria ] En 2016, un equipo de investigadores desarrolló un compilador para resolver ecuaciones diferenciales utilizando circuitos analógicos. [40]
Las computadoras analógicas también se utilizan en la computación neuromórfica y, en 2021, un grupo de investigadores demostró que un tipo específico de red neuronal artificial llamada red neuronal de picos podía funcionar con computadoras neuromórficas analógicas. [41]
Estos son ejemplos de computadoras analógicas que se han construido o utilizado en la práctica:
Los sintetizadores analógicos (de audio) también pueden verse como una forma de computadora analógica, y su tecnología se basó originalmente en parte en la tecnología de computadora analógica electrónica. El modulador en anillo del ARP 2600 era en realidad un multiplicador analógico de precisión moderada.
El Consejo de Simulación (o Consejo de Simulaciones) era una asociación de usuarios de computadoras analógicas en Estados Unidos. Ahora se la conoce como Sociedad Internacional de Modelado y Simulación. Los boletines del Consejo de Simulación de 1952 a 1963 están disponibles en línea y muestran las preocupaciones y tecnologías de la época, y el uso común de computadoras analógicas para misiles. [42]
