Computadoras analógicas: características, componentes, tipos
Las computadoras analógicas son un tipo de computadora que utiliza los aspectos continuamente cambiantes de los fenómenos físicos, tales como cantidades eléctricas, mecánicas o hidráulicas, para modelar el problema que se está resolviendo.
Es decir, son computadoras que operan con números representados por valores continuos directamente medibles, como presión, temperatura, voltaje, velocidad y peso. En contraste, las computadoras digitales representan estos valores de forma simbólica.
Las computadoras analógicas pueden tener una gama muy amplia de complejidad. Las más simples son las reglas de cálculo y los nomogramas, mientras que las computadoras que controlan los cañones navales y las grandes computadoras híbridas digitales/analógicas se encuentran entre las más complicadas. En su momento, fueron las primeras máquinas informáticas desarrolladas.
Los sistemas de control de procesos y los relés de protección utilizan la computación analógica para realizar funciones de control y protección.
En la década de 1960, el principal fabricante era la empresa estadounidense Electronic Associates, con su computadora analógica 231R, con tubos de vacío y 20 integradores. Posteriormente, con su computadora analógica 8800, con amplificadores operacionales de estado sólido y 64 integradores.
Índice del artículo
- 1 Reemplazo por computadoras digitales
- 2 Características
- 3 ¿Para qué sirven las computadoras analógicas?
- 4 Componentes
- 5 Tipos
- 6 Diferencias con digitales
- 7 Ejemplos
- 8 Referencias
En los años 60 70 las computadoras digitales, basadas primero en tubos de vacío, y posteriormente en transistores, circuitos integrados y microprocesadores, se fueron haciendo más económicas y precisas.
Esto llevó a que las computadoras digitales fueran reemplazando en gran medida a las computadoras analógicas. Sin embargo, Las computadoras analógicas siguieron siendo utilizadas en aplicaciones científicas e industriales, porque en ese momento eran comúnmente mucho más rápidas.
Por ejemplo, continuaron siendo utilizadas en algunas aplicaciones específicas, como la computadora de vuelo en los aviones.
Aplicaciones más complejas, como el radar de apertura sintética, permanecieron bajo el dominio de la computación analógica hasta bien entrada la década de 1980, ya que las computadoras digitales eran insuficientes para la tarea.
Aun actualmente se está investigando sobre computación analógica. Algunas universidades todavía usan computadoras analógicas para así enseñar la teoría de los sistemas de control.
Una computadora analógica se utiliza para procesar datos analógicos, como voltaje, temperatura, presión, velocidad, etc. Continuamente almacena estos datos de cantidades físicas y realiza los cálculos con la ayuda de estas mediciones.
Es bastante diferente de la computadora digital, que utiliza números simbólicos para representar los resultados.
Las computadoras analógicas son excelentes para situaciones que requieren que los datos se midan directamente, sin convertirlos en números o códigos.
La computadora analógica usa la señal analógica, que puede ser representada como una onda sinusoidal o continua, la cual contiene valores que varían en el tiempo.
Una señal analógica puede variar en su amplitud o en su frecuencia. El valor de la amplitud es la intensidad de la señal relacionada con su punto más alto, llamado cresta, y con sus puntos más bajos. Por otro lado, el valor de la frecuencia es su longitud física de izquierda a derecha.
Ejemplos de señales analógicas son el sonido o el habla humana a través de un cable de cobre electrificado.
Las computadoras analógicas no requieren ninguna capacidad de almacenamiento porque en una sola operación miden y comparan las cantidades.
Las representaciones analógicas tienen una precisión limitada, comúnmente de unos pocos decimales.
La precisión de una computadora analógica está limitada por sus elementos informáticos, así como por la calidad de la energía interna y las interconexiones eléctricas.
Principalmente la limita la precisión del equipo de lectura utilizado, que es generalmente de tres o cuatro decimales.
La programación en una computadora analógica implica la transformación de las ecuaciones del problema en el circuito de la computadora analógica.
Sirven para representar datos por cantidades medibles, como voltajes o rotación de engranajes, para así poder resolver un problema, en lugar de expresar los datos como números.
En los sistemas de monitoreo y control se usan para determinar una fórmula de control y para calcular los parámetros del proceso, como eficiencia, potencia, rendimiento y otros.
Si se puede asignar una expresión matemática que defina la asociación de un parámetro con las coordenadas de un objeto, la computadora analógica sirve para resolver la ecuación correspondiente.
Por ejemplo, las computadoras analógicas se usan ampliamente para evaluar la eficiencia económica de los sistemas de energía, y pueden servir como reguladores automáticos.
Con frecuencia se usan para controlar procesos como los existentes en las refinerías de petróleo, donde son importantes las mediciones continuas del flujo y temperatura.
Resolviendo repetidamente el sistema de ecuaciones que describe un proceso controlado, una computadora analógica puede escanear en poco tiempo una gran cantidad de soluciones alternas. Para ello utiliza diferentes valores en los parámetros sujetos a cambios durante el proceso.
Se podrá garantizar la calidad requerida, mediante señales de control anunciadas por la computadora analógica.
Los valores determinados por la computadora son transmitidos a un dispositivo regulador, que ajusta los puntos de control.
La magnitud de una señal perturbadora o útil se determina utilizando ecuaciones diferenciales que describan el sistema dinámico, los valores de las condiciones iniciales, además de los cambios determinados en las estadísticas que miden el ruido y la señal.
Una computadora analógica también se puede utilizar para construir instrumentos que registren automáticamente las perturbaciones y produzcan una señal de control, que dependerá del carácter y la cantidad de las perturbaciones.
Las simulaciones se pueden realizar en tiempo real o a muy altas velocidades, permitiendo así experimentar corridas repetidas con las variables alteradas.
Se han utilizado ampliamente en simulaciones de aviones, plantas de energía nuclear y también en procesos químicos industriales.
La mayoría de las computadoras analógicas eléctricas funcionan manipulando voltajes o diferencias de potencial. Su componente básico es el amplificador operacional, el cual es un dispositivo cuya corriente de salida es proporcional a su diferencia de potencial de entrada.
Al hacer que esta corriente de salida fluya a través de los componentes apropiados se obtienen más diferencias de potencial y se puede llevar a cabo una amplia variedad de operaciones matemáticas, que incluyen la suma, resta, inversión e integración.
Una computadora analógica eléctrica consta de numerosos tipos de amplificadores. Estos pueden conectarse para generar una expresión matemática de gran complejidad y con una multitud de variables.
Los componentes hidráulicos claves podrían incluir las tuberías, las válvulas y los contenedores.
Pueden estar los ejes rotativos para transportar los datos dentro de la computadora, engranajes diferenciales, integradores de disco, bola o rodillo, levas 2-D y 3-D, resolventes y multiplicadores mecánicos, y servo-torques.
– Resistencias y condensadores de precisión.
– Amplificadores operacionales.
– Multiplicadores.
– Potenciómetros.
– Generadores de función fija.
Lineales
Los componentes lineales realizan las operaciones de suma, integración, cambios de signo, multiplicación por una constante y otros.
No lineales
Los generadores de funciones reproducen las relaciones no lineales. Hay componentes informáticos diseñados para reproducir una función asignada, a partir de uno, dos o más argumentos.
Es habitual distinguir en esta clase los dispositivos que reproducen funciones discontinuas de un solo argumento y los dispositivos divisores multiplicadores.
Lógicos
Entre los componentes lógicos se encuentran los dispositivos lógicos analógicos, diseñados para separar la cantidad mayor o menor entre varias cantidades, dispositivos lógicos discretos, circuitos de conmutación de relés y algunas otras unidades especiales.
Todos los dispositivos lógicos se combinan generalmente en uno, llamado dispositivo lógico paralelo. Está equipado con su propio tablero de conexiones para conectar los dispositivos lógicos individuales entre sí y con los restantes componentes analógicos de la computadora.
Están construidas a partir de componentes mecánicos, como palancas y engranajes, en lugar de componentes electrónicos.
Los ejemplos más comunes son las máquinas sumadoras y los contadores mecánicos, que utilizan el giro de los engranajes para realizar sumas o conteos. Ejemplos más complejos podían llevar a cabo multiplicaciones y divisiones, e incluso análisis diferenciales.
Las computadoras mecánicas más prácticas usan ejes rotativos para así transportar las variables de un mecanismo a otro.
En el sintetizador de Fourier, que era una máquina para predecir mareas, se utilizaban cables y poleas que sumaban los componentes armónicos.
Es importante mencionar los instrumentos mecánicos de vuelo en las naves espaciales iniciales, que mostraban el resultado calculado no en forma de dígitos, sino a través de desplazamientos de las superficies indicadoras.
Las naves espaciales soviéticas tripuladas estaban equipadas con un instrumento llamado Globus. Este mostraba el movimiento figurado de la Tierra a través del desplazamiento de un globo terrestre en miniatura, además de indicadores de latitud y longitud.
Son más comunes, porque tienen una banda de paso sustancialmente más amplia y son convenientes para conectarse con otras computadoras y con los elementos de control de un aparato.
Usan señales eléctricas que fluyen a través de varias resistencias y condensadores para simular los fenómenos físicos, en lugar de la interacción mecánica de los componentes.
El diseño de los elementos analógicos de la computadora se basa en amplificadores electrónicos de corriente continua. Estos tienen alta ganancia en el modo de circuito abierto.
Dependiendo de la estructura del circuito de entrada y del de retroalimentación, un amplificador operacional realiza una operación matemática lineal o no lineal. También una combinación de estas operaciones.
Este tipo de computadoras analógicas tuvo un amplio uso en la informática y en la tecnología militar a mediados del siglo XX, tales como en pruebas de aviones y misiles.
Las señales digitales tienen dos estados discretos, desactivado o activado. El estado desactivado es cero voltios y el estado activado es cinco voltios. Por ello las computadoras digitales utilizan datos de números binarios, en forma de 0 y 1.
Las señales analógicas son continuas. Pueden tener cualquier valor entre dos extremos, como -15 y +15 voltios. El voltaje de una señal analógica puede ser constante o variar con el tiempo.
Es decir, en las computadoras analógicas se transmiten los datos en forma de señales continuas. En las computadoras digitales se transmiten en forma de señales discretas.
Los circuitos de las computadoras analógicas usan amplificadores operacionales, generadores de señales, redes de resistencias y condensadores. Estos circuitos procesan señales continuas de voltaje.
Las computadoras digitales utilizan una variedad de circuitos de encendido/apagado, como microprocesadores, generadores de pulso de reloj y puertas lógicas.
Es decir, la computadora digital utiliza circuitos electrónicos, mientras que la computadora analógica usa resistencias para el flujo continuo de la señal.
Las computadoras analógicas deben lidiar con un cierto nivel de ruido eléctrico en los circuitos, afectando esto su precisión. Los circuitos de una computadora digital también tienen ruido eléctrico, aunque esto no tiene efecto en la precisión o confiabilidad.
Por otro lado, la computadora analógica no puede producir resultados repetidos con una equivalencia exacta. Esto significa que las computadoras analógicas son menos precisas en comparación con las computadoras digitales.
Las computadoras tanto analógicas como digitales se pueden programar, aunque los métodos son diferentes.
Las computadoras digitales usan secuencias de instrucciones complejas, tal como comparar o multiplicar dos números, o mover datos de un lugar a otro.
Para programar una computadora analógica se conectan eléctricamente con cables diferentes subsistemas entre sí. Por ejemplo, se conecta un generador de señal a una perilla de control, para variar la intensidad de la señal.
Esta famosa computadora era capaz de guardar instrucciones de programación. Con más de tres metros de altura, el dispositivo mostraba la hora, el zodiaco y también las órbitas del sol y la luna.
La parte computacional del dispositivo permitía a los usuarios establecer así la duración variable del día en función de la temporada. Descrita en 1206, esta computadora era muy compleja para su época.
Una de las computadoras analógicas mecánicas más simples y reconocibles es la regla de cálculo. Este es un dispositivo para aproximar cálculos matemáticos básicos.
Los usuarios deslizan una varilla marcada para alinearla con varias marcas en otra varilla, leyendo así el dispositivo según la alineación de esas varias marcas.
Esta computadora analógica mecánica era capaz de resolver ecuaciones diferenciales. Con un diseño tan antiguo como el de principios de 1800, el analizador diferencial se perfeccionó en la década de 1930 y se usó hasta mediados del siglo XX.
Se considera la primera computadora moderna. Pesaba 100 toneladas y contenía 150 motores, además de cientos de kilómetros de cables que conectaban relés y tubos de vacío.
Según los estándares actuales, la máquina era lenta. De hecho, solo era unas cien veces más rápida que un operador humano usando una calculadora de escritorio.
– Predictor Kerrison.
– Librascopio, computadora de equilibrio y peso de una aeronave.
– Integradores mecánicos como el planímetro.
– Nomograma.
– Visor de bombardeo Norden.
– Computadoras relacionadas con el control de incendios.
– Integradores de agua.
– MONIAC, modelado económico.
El Consejo de Simulación fue una asociación de usuarios de computadoras analógicas en Estados Unidos.
Los boletines del Consejo de Simulación de 1952 a 1963 están actualmente disponibles en línea. Muestran las tecnologías en ese momento y también el uso común de las computadoras analógicas.
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