Analógové počítače — definícia, história, princíp a využitie

Analógové počítače: definícia, fascinujúca história, princípy a praktické využitie — od Antikythery po moderné riadiace systémy. Zistite, kedy sú lepšie než digitálne.

Analógové počítače sú mechanické alebo elektronické zariadenia, ktoré riešia problémy. Niektoré sa používajú na riadenie strojov. Kedysi boli jediným spôsobom, ako bolo možné riadiť stroj, a stále sa používajú v prípadoch, keď digitálne počítače nie sú najlepšou voľbou. Abakus, digitálne zariadenie, ktoré sa niekedy nazýva aj počítač, používali Babylončania približne 2500 rokov pred naším letopočtom.

Prvým známym analógovým počítačom z kovu bolo zariadenie Antikythera. Určite však nebol prvý v iných podobách. Niektorí ľudia si myslia, že za analógové počítače sa považujú aj mentálne vynálezy, napríklad vynález nuly (staroveký Egypt 1700 pred n. l.). V takom prípade by sa však za analógový počítač počítal takmer každý vynález ľudstva a v skutočnosti sa tento pojem nepoužíva.

Vynález posuvného pravidla bol určite dôležitý pre výpočty. V 17. storočí ho vyvinul William Oughtred po práci Johna Napiera o logaritmoch. Posuvné pravidlá sú určite mechanické počítacie stroje. Boli to najpoužívanejšie nástroje vo vede a technike pred rokom 1960/1970.

Pre priemyselnú revolúciu mal rozhodujúci význam vynález regulátora Jamesa Watta, pretože išlo o riadenie veľkých čerpadiel a motorov s negatívnou spätnou väzbou. V skutočnosti väčšina analógových počítačov pracuje so spojitými údajmi, a nie s diskrétnymi alebo digitálnymi údajmi. Sú ako abstraktné modely reálneho sveta. Analógový motor modeluje kritické aspekty skutočného motora.

História a významné príklady

Analógové prístroje mali a majú rozmanité podoby — od mechanických kĺbov, prevodových sústav a hydraulických systémov až po elektrické obvody pracujúce s napätiami alebo prúdmi. Medzi slávne historické príklady patrí spomínané zariadenie Antikythera, posuvné pravidlo, regulátor Jamesa Watta a v 20. storočí veľké mechanické a elektrické „diferenciálne analyzátory“, ktoré riešili diferenciálne rovnice priamo mechanicky alebo elektricky. Počas druhej svetovej vojny a v nasledujúcich desaťročiach sa analógové počítače využívali v navádzacích systémoch, vojenských simuláciách, leteckom výcviku a pri riadení priemyselných procesov.

Princíp činnosti

Analógový počítač rieši problém tak, že fyzicky reprezentuje premenné a operácie pomocou spojitých fyzikálnych veličín (napätia, prúdu, uhlov, polôh, tlaku a pod.). Namiesto diskrétnych bitov vykonáva priame matematické operácie:

• sčítanie a odčítanie sa realizuje paralelným zapojením alebo zosilňovačmi s vymedzenými ziskmi,
• integrácia sa vykonáva pomocou integrátorov (elektrických kondenzátorov a operačných zosilňovačov alebo mechanických integrátorov),
• násobenie a nelineárne funkcie pomocou špeciálnych analyzátorov, násobičov alebo funkčných generátorov,
• spätná väzba (vrátane negatívnej spätné väzby) sa využíva na stabilizáciu a riadenie dynamiky systému.

Týmto spôsobom je možné priamo modelovať a simulovať diferenciálne rovnice opisujúce fyzikálne systémy — bez potreby diskretizácie krokmi času, ako je to u digitálnych simulácií.

Typické komponenty

Elektronické analógové počítače zvyčajne obsahujú integrátory, zosilňovače (sčítavače), násobiace články, meradlá konštánt, funkčné generátory (napr. logaritmické či exponenciálne prvky) a pripojiteľné zosilňovacie moduly. Mechanické analógové riešenia používajú prevody, západkové mechanizmy, zotrvačníky a pákové sústavy.

Výhody a nevýhody

• Výhody: takmer okamžitá symultánna simulácia spojitých systémov, prirodzené riešenie diferenciálnych rovníc, často veľmi rýchla odozva a menšia spotreba energie pri špecifických úlohách.
• Nevýhody: nižšia presnosť v porovnaní s digitálnymi počítačmi (obvykle len niekoľko platných číslic), citlivosť na šum a drift, potreba častej kalibrácie, obmedzená flexibilita pri zložitých logických operáciách a menšia univerzálnosť skrz rozličné problémy.

Využitie dnes a perspektívy

Hoci digitálne počítače dominujú vo väčšine oblastí, analógové princípy pretrvávajú a v niektorých oblastiach zažívajú renesanciu:

• priemyselné a regulačné obvody (analógové PID regulátory),
• ľahké riadenie strojov a senzorické rozhrania s rýchlou odozvou,
• analogové obvody pre spracovanie signálov (napr. v audio technike a syntezátoroch),
• neuromorfné a hybridné systémy pre nízkoenergetickú umelú inteligenciu a akceleráciu strojového učenia,
• optické a fotonické analógové počítače (rýchle transformácie ako Fourierova transformácia),
• výskum v oblasti memristorov, kinetických a kvantových analógových prístupov.

V moderných riešeniach sa často používajú hybridné systémy, kde analógová časť rieši rýchle spojité procesy a digitálna časť zabezpečuje riadenie, presnosť a logiku.

Zhrnutie

Analógové počítače sú zariadenia, ktoré priamo využívajú spojité fyzikálne veličiny na simuláciu a riadenie systémov. Majú bohatú históriu — od mechanických zariadení až po elektrické a elektronické systémy — a ich princípy zostávajú dôležité tam, kde je potrebná rýchla reakcia, prirodzené modelovanie spojitých javov alebo energetická efektívnosť pri špecifických úlohách. Súkomplementárne k digitálnym prístupom a v niektorých oblastiach (napr. neuromorfnom hardvéri) môžu ponúknuť jedinečné výhody.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo sú to analógové počítače?

Otázka: Kedy bol vynájdený abakus?

Otázka: Kto vyvinul posuvné pravidlo?

Otázka: Ako prispel guvernér James Watt k priemyselnej revolúcii?

Otázka: Sú analógové počítače digitálne alebo založené na spojitých údajoch?

Otázka: Boli náramkové hodinky s kruhovými posuvnými pravidlami bežné pred rokom 1960/1970?

Otázka: Vyskytli sa odvtedy nejaké pozoruhodné aplikácie kruhových posuvných pravidiel?

Hľadajte podľa písmena