АВМ в
основном применяется при решении
следующих задач. Контроль и управление.
В системах автоматического управления
АВМ пользуются, как правило, для
определения или формирования
закона управления, для вычисления
сводных параметров процесса (кпд, мощность,
производительность и др.). Если задано
математическое выражение, определяющее
связь сводного параметра или управляющего
воздействия с координатами объекта, АВМ
служат для решения соответствующего
уравнения. Результат вычислений поступает
либо на исполнительный механизм (замкнутая
система), либо к оператору. В последнем
случае АВМ работает как информационное
устройство. Например, АВМ широко распространены
для оценки экономической эффективности
энергетических систем, и те же АВМ могут
управлять исполнительными механизмами,
т. е. служить автоматическими регуляторами.
Когда закон управления заранее не определён,
а заданы лишь некоторые критерии оптимальности
и граничные условия, АВМ применяются
в системах поиска оптимального управления
и служат математической моделью объекта.
Опережающий анализ, основанный на быстродействии.
Многократно решая систему уравнений,
описывающих управляемый процесс, учитывая
его текущие характеристики, АВМ за короткое
время «просматривает» большое число
вариантов решений, отличающихся значениями
параметров, подлежащих изменению при
управлении процессом. Намного опережая
ход процесса, АВМ прогнозирует сигналы
управления, которые могут обеспечить
необходимое качество протекания процесса.
Найденные машиной значения передаются
на регулирующие устройства, например
в виде положений их уставок, после чего
поиск наилучшего варианта продолжается.
В режиме опережающего анализа АВМ выполняют
функции либо машин-советчиков, когда
оператор пользуется результатами полученных
на машине расчётов для ручного или полуавтоматического
управления, либо управляющих машин, автоматически
учитывающих текущие характеристики процесса
и управляющих им по оптимальным показателям.
Выбор наилучшего режима технологического
процесса осуществляется также самонастраивающимися
математическими машинами в режиме опережающего
анализа. Экспериментальное исследование
поведения системы с аппаратурой управления
или регулирования в лабораторных условиях.
С помощью АВМ воспроизводится та часть
системы, которая по каким-либо причинам
не может быть воспроизведена в лабораторных
условиях. Связь АВМ с аппаратурой управления
или регулирования в основном осуществляется
преобразующими устройствами, в которых
машинные переменные изменяются по масштабу
и форме представления. Анализ динамики
систем управления или регулирования.
Заданные уравнения объекта решаются
в выбранном масштабе времени с целью
нахождения основных параметров, обеспечивающих
требуемое протекание процесса. Особо
важны быстродействующие АВМ, с помощью
которых в ускоренном масштабе времени
можно решать некоторые итеративные задачи,
задачи оптимизации, а также реализовать
Монте-Карло метод, требующий многократного
решения стохастических дифференциальных
уравнений. Здесь АВМ резко сокращает
время проведения расчётов и делает наглядными
результаты. АВМ состоят из некоторого
числа решающих элементов, которые по
характеру выполняемых математических
операций делятся на линейные, нелинейные
и логические. Линейные решающие элементы
выполняют операции суммирования, интегрирования,
перемены знака, умножения на постоянную
величину и др. Нелинейные (функциональные
преобразователи) воспроизводят нелинейные
зависимости. Различают решающие элементы,
предназначенные для воспроизведения
заданной функции от одного, двух и большего
числа аргументов. Из этого класса обычно
выделяют устройства для воспроизведения
разрывных функций одного аргумента (типичные
нелинейности) и множительно-делительные
устройства (см. Перемножающее устройство).
К логическим решающим элементам относятся
устройства непрерывной логики, например
предназначенные для выделения наибольшей
или наименьшей из нескольких величин,
а также устройства дискретной логики,
релейные переключающие схемы и некоторые
др. специальные блоки. Для связи устройств
непрерывной и дискретной логики широко
пользуются гибридными логическими устройствами
(например, компараторами). Все логические
устройства обычно объединяются в одном,
получившем название устройства параллельной
логики. Оно снабжается своим наборным
полем для соединения отдельных логических
устройств между собой и с остальными
решающими элементами АВМ. В зависимости
от физической природы машинных величин
различают механические, пневматические,
гидравлические, электромеханические
и электронные АВМ. Наиболее распространены
электронные АВМ, отличающиеся значительно
более широкой полосой пропускания, удобством
сопряжения нескольких машин между собой
и с элементами аппаратуры управления.
Эти машины собираются из готовых радиотехнических
узлов и полуфабрикатов. Решающие элементы
АВМ строятся в основном на базе многокаскадных
электронных усилителей постоянного тока
с большим коэффициентом усиления в разомкнутом
состоянии и глубокой отрицательной обратной
связью. В зависимости от структуры и характера
входной цепи и цепи обратной связи операционный
усилитель выполняет линейную или нелинейную
математическую операцию или комбинацию
этих операций. Вследствие неидеальности
работы отдельных решающих элементов,
неточности установки их коэффициентов
передачи и начальных условий, решение,
найденное с помощью АВМ, имеет погрешности.
Результирующая погрешность зависит не
только от перечисленных первичных источников,
но и от характера и особенностей решаемой
задачи. Как правило, погрешность увеличивается
с ростом числа решающих (особенно нелинейных)
элементов, включенных последовательно.
Практически можно считать, что погрешность
при исследовании устойчивых нелинейных
систем автоматического управления не
превышает нескольких %, если порядок набираемой
системы дифференциальных уравнений не
выше 10-го.
По структуре
различают АВМ с ручным и
с автоматическим программным
управлением. В первом случае
решающие элементы перед началом
решения соединяются между собой
в соответствии с последовательностью
выполнения математических операций,
задаваемых исходной задачей. В машинах
с программным управлением последовательность
выполнения отдельных математических
операций меняется в процессе решения
задачи в соответствии с заданным алгоритмом
решения. Изменение в ходе решения порядка
выполнения отдельных операций обусловливает
прерывистый характер работы машины: период
решения сменяется периодом останова
(для выполнения требуемых коммутаций).
При таком режиме АВМ должна снабжаться
аналоговым запоминающим устройством.
Наличие памяти и дискретность характера
работы машины дают возможность организовать
многократное использование отдельных
решающих элементов и тем сократить их
число, не ограничивая класса решаемых
задач, правда, за счёт снижения быстродействия.
Значительный интерес представляют машины
с большой частотой повторения решения
(30—1000 гц) в связи с созданием систем автоматического
управления, а также с необходимостью
организации поиска оптимальных в некотором
смысле структур и параметров систем управления.
Цифровые компьютеры работают конечными
шагами. Аналоговые, в отличие от них, оперируют
недискретными данными и, соответственно,
программируются заданием физических
характеристик их компонентов. Типичный
пример - автомобильная трансмиссия. Ее
программа работы изменяется перемещением
ручки переключения передач, что заставляет
жидкость в гидроприводе менять направление
течения, производя нужный результат.
Аналоговый компьютер - это аппарат, который
выполняет арифметические расчеты с числами,
представленными физическими величинами.
В механических аналоговых компьютерах
числа представляются количеством поворотов
шестеренок механизма. В электрических
аналоговых машинах для представления
числа используются различия в напряжении.
К концу своего
эволюционного пути аналоговые компьютеры
в большинстве своем были механическими
или электрическими машинами, способными
выполнять операции сложения, вычитания,
умножения и деления. Результат их работы
отображался в виде графиков, рисуемых
на экране осциллографа или на бумаге,
или электрического сигнала, используемого
для контролирования протекания процесса
либо работы механизма. Во второй половине
ХХ века, до распространения дешевых и
универсальных ПК, именно аналоговые компьютеры
были идеально приспособлены для осуществления
автоматического контроля за производственными
процессами, так как они мгновенно реагируют
на изменения во вводимой информации.
Обратившись к истории аналоговых машин
мне стало понятно, что аналоговые компьютеры
управляли турбинами на гидроэлектростанциях
и первыми атомными реакторами, активно
использовались военными, создавали звук
в музыкальных синтезаторах и выполняли
много других сложных операций необходимых
людям. Сегодня аналоговые машины уступили
место цифровым технологиям, но не исчезли.
Заключение
Проделав свое исследование
на основе литературных источников и полученных
из интернета статей об истории развития
вычислительной техники, я могу заключить,
что вычислительная техника внедрялась
в жизнь человека очень медленно. Цель,
которую я ставила перед собой в начале
моего исследования (проанализировать
все основные этапы развития вычислительной
техники и познакомиться с эпохой аналоговых
вычислительных машин), считаю достигнутой.
Безусловно, сейчас компьютеры стали незаменимым
подспорьем в жизни человека: ракеты запускаются
в космос по показаниям компьютеров, погода
на завтра определяется мощнейшим компьютером,
скорость обработки данных которого запредельно
высока даже для понимания продвинутого
программиста, фабрики, заводы, даже больницы
- везде важен процесс автоматизации. Сегодня
многие операции проводятся специально
созданными машинными роботами, которые
появились на свет благодаря последним
компьютерным разработкам. Да и невозможно
человеку современному представить свою
жизнь без ПК. Человечество не стоит на
месте, и прогресс неумолимо бежит вперед.
Но иногда полезно заглянуть в историю
создания этого чуда техники и вспомнить
имена невероятно талантливых ученых
прошлых лет, благодаря трудам которых,
осуществился этот технических прорыв.
В заключение целесообразно кратко описать
пути развития аналоговой вычислительной
техники. Рассматривая домеханический
период, следует отметить зарождение этого
вида вычислительной техники. Потребность
в счете, а также в обработке небольших
объемов данных, обусловленных тем временем,
способствовали появлению и развитию
средств и методов вычисления. На закате
этого периода у человечества были в распоряжении
абаки, «счетные палочки Непера», а также
логарифмические линейки.
Механический период явился
вследствие резкого развития торговых
операций, океанического судоходства,
астрономии. Здесь появляются суммирующие
машины и арифмометры, а самыми значительными
изобретениями того времени считают разностную
и аналитическую машины Бэббиджа. Продвижения
в аналоговой технике наблюдаются только
в конце этого периода, когда советский
изобретатель А.Н. Крылов разработал механическую
вычислительную машину для решения дифференциальных
уравнений при проектировании кораблей,
а также создал теорию разработки и оценки
точности планиметров - аналоговых устройств
расчета площади замкнутой кривой.
Электромеханический период является
самым коротким и основывается на развитии
электротехники, в частности, изобретении
электромагнитного реле. В развитии аналоговой
вычислительной техники не наблюдается
прогресса и только в 1944 г. разработка
операционного усилителя дает толчок
развитию современных АВМ. Быстрое развитие
средств электронной аналоговой вычислительной
техники, использующих операционные усилители
для исследования динамических систем
в реальном времени, наблюдается в 50-е
- 60-е гг.. Развитие и основные успехи средств
аналоговой вычислительной техники в
этом направлении совпали по времени,
с одной стороны, с весьма интенсивным
развитием теории и практики систем управления
сложными объектами, для исследования
которых широко использовались аналоговые
вычислительные машины. Это положение
в определенной степени предопределило
основные направления применения средств
вычислительной техники: аналоговые машины
рассматривались как средства моделирования
систем, описываемых обыкновенными дифференциальными
уравнениями. Расширение круга задач и
увеличение глубины исследований с помощью
средств АВТ и явились, по-видимому, основными
технико-экономическими причинами, вызвавшими
быстрое развитие и переход к серийному
выпуску быстродействующих аналоговых
вычислительных машин и в том числе аналоговых
машин, снабженных развитой системой управления.
В последние десятилетия в
связи с новыми направлениями развития
цифровой вычислительной техники происходит
её интеллектуализация, которая расширяет
круг решаемых с ее помощью задач. Интеллектуализация
средств аналоговой техники не состоялась,
и это наряду с невысокой точностью вычислений,
привело к ее поражению в соревновании
с цифровой техникой, но не исчезновению.
Список использованной литературы
1. А.Ю. Гаевский
Информатика 7-11 класс, Учебное пособие,
2 издание, дополненное. - Киев, «Издательство
А.С.К.»: 2003.
2. Казакова И. А. История вычислительной
техники. Учебное пособие. - Пенза: Изд-во
ПГУ, 2011.
3. Апокин И.А., Майстров Л.Е. История
вычислительной техники:
(От простейших счетных приспособлений
до сложных релейных систем). - М.: Наука,
1990.
4. А.П. Кондрашов «Справочник необходимых
знаний». -М: 2000.
5. Шафрин Ю.А. Информационные технологии.
- М., 2000.