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

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?

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).

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.

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 )

Машина Филлипса. Фотография: Грэм Тернер Грэм Тернер / Хранитель

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, ...).

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.

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!