Кто-нибудь больше использует операционные усилители для моделирования физических систем?

8

Я готовлюсь к экзамену по системному моделированию и симуляции. Так что в учебнике сказано, что есть три категории моделей.

Графические - блок-схемы и графики потоков сигналов.
Физико-физические модели сходства и модели физической аналогии.
Символические - лингвистические и математические модели.

Оставляя в стороне мое подозрение, что структурная схема является не менее математической моделью, чем система дифференциальных уравнений, вот мой вопрос.

Они определяют модель физического сходства как уменьшенную версию исходной системы. С другой стороны, модель физической аналогии использует электрические схемы для моделирования реальной системы.

Я думал, что в последний раз это было сделано 40 лет назад, и в настоящее время ничто не может сравниться с вычислительной мощностью современных цифровых компьютеров. Аналоговые электрические цепи все еще используются для моделирования некоторых систем?

Vorac
источник
Я не думаю, что сейчас кто-то строит аналоговую схему для решения системы дифференциальных уравнений; вместо этого можно использовать что-то вроде Matlab или simulink. Операционный усилитель сегодня не настолько «операционный», но я могу ошибаться. Интересный вопрос.
Роджер С.
1
Я сделал это однажды, 20 лет назад, в колледже. С тех пор, кому я когда-либо рассказывал об этом, отвечал: «Что ты сделал?»
Роланд Мизлингер,
1
Мне они понравились, потому что это дало «чувство» динамике за некоторыми дифференциальными уравнениями. Вы можете изменять параметры в реальном времени и «видеть» (осциллограф), что происходит. Вы можете имитировать их численно, но это не то же самое для меня. Немного похоже на настройку радио с цифровым или аналоговым циферблатом (при ходьбе босиком по снегу).
медь. Что
Последний большой аналоговый компьютер, о котором я лично знал, был законсервирован около двадцати лет назад и демонтирован пять лет спустя.
dmckee --- котенок экс-модератора
@ Роджер: Они по-прежнему активно используются для формирования сигнала, потому что цифровые системы могут обрабатывать только цифровые данные, и аналого-цифровое преобразование работает лучше с аналоговым сглаживанием (хотя также возможна суперсэмплинг) и предварительным усилением. И эти предварительные усилители могут выполнять более сложные операции, чем просто усиление напряжения, например преобразование тока в напряжение, интегрирование, вычитание и иногда даже логарифмический отклик. Но на самом деле это не попытка реализовать системную модель.
Бен Фойгт

Ответы:

2

Smart Grid - типичный пример, где аналоговые вычисления все еще используются. Аналоговый компьютер может быть быстрее для отслеживания сложных систем, но сегодня он явно контролируется цифровыми системами и просматривается через цифровые интерфейсы.

Другое важное применение аналоговых вычислений для искусственных нейронных сетей. Карты Кохонена и различные системы «победитель получает все» могут быть реализованы на кристалле с использованием аналоговых вычислений (с использованием усилителей и нелинейных компонентов).

MAC
источник
4

Не забывайте гидравлические, пневматические и даже катящиеся шарики!

А если серьезно, я увидел отличную модель водоносного горизонта, сделанную из сетки резисторов и конденсаторов. Вы можете просто закрепить прицел на любом перекрестке, чтобы получить прогноз уровня воды на следующее столетие.

В наши дни мы можем решить несколько тысяч одновременных уравнений за несколько секунд или меньше, поэтому эта модель водоносного горизонта довольно избыточна.

С другой стороны, мы все время используем физические модели в очень простых схемах, таких как фильтры нижних частот, интеграторы. Но это для удобства схемы, а не для исследования физической системы. Поэтому для моделирования проще сделать это в цифровом виде.

tomnexus
источник
4

До сих пор в живую память такие машины были использованы (по крайней мере, в моей живой памяти). Ниже приведена фотография машины Филлипса, которую Банк Англии использовал для моделирования экономики. Он вышел из употребления в 1970-х годах.

(См. Статью http://www.theguardian.com/business/2008/may/08/bankofenglandgovernor.economics )

введите описание изображения здесь

Машина Филлипса. Фотография: Грэм Тернер Грэм Тернер / Хранитель

Джим Дирден
источник
0

Аналоговые электрические цепи все еще используются для моделирования некоторых систем?

Да, я так думаю. Однако не как реальные аппаратные модели (как во времена аналоговых компьютеров), а как блок-схемы, состоящие из усилителей, сумматоров, контроллеров, интеграторов, фильтров ...

Это очень удобный метод для нахождения функции передачи системы и связанной с ней информации, такой как свойства полосы пропускания и стабильности, - в результате компьютерного моделирования (аналоговые вычисления на цифровом компьютере). Для этой цели имеются ориентированные на блок-схемы и / или программы символьного моделирования. Более того, такая модель дает возможность модифицировать систему с целью улучшения поведения системы (шаг реакции, стабильность, ...).

LVW
источник
0

Возможно, в наши дни компьютеры чрезвычайно мощные, но вы все равно можете столкнуться с приложениями, где у вас жесткие ограничения по питанию. Там может быть невозможно использовать достаточно мощный микроконтроллер или процессор.

В этих случаях аналоговая схема все еще может быть подходящим вариантом.

Поскольку это звучит довольно расплывчато, и, возможно, не только спрашивающий задается вопросом, как это связано с моделированием физической системы, я кратко объясню, что я имею в виду. Я не могу вдаваться в подробности, но здесь идет:

Система управления может потреблять всего 5 мВт. Требуется управлять системой с частотой обновления 1 кГц. Должен быть какой-то механизм для своевременного обнаружения неисправного состояния в контролируемой системе, в лучшем случае в режиме реального времени (также 1 кГц).

Теперь механизм управления реализован в микроконтроллере, который достаточно хорошо справляется с этой задачей внутри этих энергетических границ. Проблема заключалась в обнаружении неисправного состояния.

Для этой задачи была введена аналоговая схема. Система была смоделирована как аналоговая схема, и к схеме был применен тот же вход, что и к системе. Если выходные данные сильно отличались, значит, что-то не так в системе (или модели на этапах разработки).

Теперь вычисление всей модели с частотой обновления 1 кГц было невозможно для микроконтроллера с таким энергопотреблением.

Сегодня, с появлением Cortex M4F, вы можете быть ближе, они впечатляют, но я сомневаюсь, что это можно выжать.

Возможно, это не то моделирование, которое имел в виду аскер, но это все же применение аналоговой схемы для моделирования физической системы.

Арсенал
источник
Комментарий о том, почему мой ответ был отклонен, помог бы мне улучшить его.
Арсенал
Насколько я понимаю свой собственный вопрос, речь идет о попытке понять физическое явление, например, путем записи дифференциальных уравнений. Откуда вступает в дело разработка схем с низким энергопотреблением? Также небольшие uC-s могут работать на uA-s и спать на nA-a - необходимо обоснование, почему аналоговая схема должна их опережать.
Vorac
@Vorac Я обновил свой ответ примером того, почему это актуально, по моему мнению. Может быть, не в том смысле, в котором вы впервые представили свой вопрос.
Арсенал
0

Люди не очень часто используют аналоговые компьютеры, потому что они не могут выполнить необходимую математику, необходимую для настройки и моделирования аналоговых компьютеров, поверьте мне, их много. Также многие люди не имеют необходимых электронных навыков для исправления электронных схем.

Это очень печально, потому что я считаю, что, не выполняя подобие аналоговых вычислений в школах / колледжах / университетах, мы не получаем достаточно высококлассных инженеров / физиков. Это очень легко, но не способствует «настоящему» обучению использованию ПК. Кстати, ни один преподаватель в моем университетском отделе (управляющий англ.) Не мог подключить простую аналоговую схему, я был единственным!

У меня есть небольшой аналоговый компьютер, который я часто использую просто для того, чтобы держать руку в руках, я использую его для моделирования химических процессов и установок ... Теплообменники, CSTR, нейронные сети и т. Д. Это очень весело! Я также использую макет для подключения дополнительных операционных усилителей, колпачков и резисторов, которые также очень дешевы и просты в использовании аналоговых вычислительных схем.

Аналоговые (также аналоговые) книги все еще доступны и дешевы! Попробуйте книги ABE. anybook.biz. Кстати, я думаю, что Россия все еще экспериментирует с ними!

HSB
источник