Verwendet jemand noch Operationsverstärker zur Modellierung physikalischer Systeme?

Ich studiere für meine Systemmodellierungs- und Simulationsprüfung. Das Lehrbuch sagt also, dass es drei Kategorien von Modellen gibt.

Grafik - Blockdiagramme und Signalflussdiagramme.
Physikalisch-physikalische Ähnlichkeitsmodelle und physikalische Analogiemodelle.
Symbolisch - sprachliche und mathematische Modelle.

Abgesehen von meinem Verdacht, dass ein Blockdiagramm nicht weniger ein mathematisches Modell als ein System von Differentialgleichungen ist, ist hier meine Frage.

Sie definieren das physikalische Ähnlichkeitsmodell als eine verkleinerte Version des ursprünglichen Systems. Andererseits verwendet das physikalische Analogiemodell elektrische Schaltungen, um das reale System zu modellieren.

Ich dachte, dies wurde zuletzt vor 40 Jahren getan, und derzeit kann nichts die Rechenleistung moderner digitaler Computer übertreffen. Werden zur Modellierung einiger Systeme noch analoge Stromkreise verwendet?

Smart Grid ist ein typisches Beispiel, bei dem noch analoges Computing verwendet wird. Der analoge Computer kann für die Verfolgung komplexer Systeme schneller sein, wird jedoch heute offensichtlich von digitalen Systemen gesteuert und über digitale Schnittstellen gesehen.

Eine weitere wichtige Anwendung des analogen Rechnens sind künstliche neuronale Netze. Kohonen-Karten und verschiedene Winner-Take-All-Systeme können mithilfe von Analog-Computing (unter Verwendung von Verstärkern und nichtlinearen Komponenten) auf dem Chip implementiert werden.

Vergessen Sie nicht hydraulische, pneumatische und sogar rollende Murmeln!

Aber im Ernst, ich habe ein großartiges Modell eines Grundwasserleiters gesehen, der aus einem Netz von Widerständen und Kondensatoren besteht. Sie können das Zielfernrohr einfach an einer beliebigen Kreuzung befestigen, um eine Vorhersage des Wasserstandes für das nächste Jahrhundert zu erhalten.

Heutzutage können wir einige tausend Gleichungen gleichzeitig in wenigen Sekunden oder weniger lösen, so dass dieses Grundwasserleitermodell ziemlich redundant ist.

Andererseits verwenden wir ständig physikalische Modelle in sehr einfachen Schaltkreisen wie Tiefpassfiltern und Integratoren. Diese dienen jedoch der Bequemlichkeit der Schaltung und niemals der Untersuchung eines physikalischen Systems. Für die Modellierung ist es also einfacher, dies einfach digital zu tun.

Es ist immer noch in lebendiger Erinnerung, solche Maschinen wurden benutzt (zumindest in meiner lebendigen Erinnerung). Unten sehen Sie ein Foto der Phillips-Maschine, mit der die Bank of England die Wirtschaft modelliert. Es wurde in den 1970er Jahren nicht mehr verwendet.

(Siehe Artikel http://www.theguardian.com/business/2008/may/08/bankofenglandgovernor.economics )

Die Phillips-Maschine. Foto: Graham Turner Graham Turner / Wächter

Werden zur Modellierung einiger Systeme noch analoge Stromkreise verwendet?

Ja, ich denke schon. Allerdings nicht als echte Hardwaremodelle (wie in den Tagen analoger Computer), sondern als Blockdiagramme bestehend aus Verstärkern, Addierern, Controllern, Integratoren, Filtern, ...

Dies ist eine sehr bequeme Methode zum Ermitteln der Systemübertragungsfunktion und der zugehörigen Informationen wie Bandbreite und Stabilitätseigenschaften - als Ergebnis einer Computersimulation (analoges Rechnen auf einem digitalen Computer). Zu diesem Zweck stehen blockdiagrammorientierte und / oder symbolische Simulationsprogramme zur Verfügung. Darüber hinaus bietet ein solches Modell die Möglichkeit, das System zu modifizieren, um das Systemverhalten (Sprungverhalten, Stabilität, ...) zu verbessern.

Es mag zwar zutreffen, dass Computer heutzutage extrem leistungsfähig sind, aber Sie können immer noch auf Anwendungen stoßen, bei denen Sie enge Energieeinschränkungen haben. Dort ist es möglicherweise nicht möglich, einen ausreichend leistungsstarken Mikrocontroller oder Prozessor zu verwenden.

In diesen Fällen könnte eine analoge Schaltung immer noch der richtige Weg sein.

Da dies ziemlich vage klingt und sich wahrscheinlich nicht nur der Fragesteller fragt, was dies mit der Modellierung eines physischen Systems zu tun hat, werde ich kurz erklären, was ich vorhabe. Ich kann nicht zu sehr ins Detail gehen, aber hier ist:

Das Steuerungssystem benötigt möglicherweise nur 5 mW Leistung. Es ist erforderlich, ein System mit einer Aktualisierungsrate von 1 kHz zu steuern. Es muss eine Art Mechanismus geben, um einen fehlerhaften Zustand innerhalb des gesteuerten Systems sehr zeitnah zu erkennen, bestenfalls in Echtzeit (auch 1 kHz).

Jetzt ist der Steuermechanismus in einem Mikrocontroller implementiert, der diese Aufgabe innerhalb dieser Energiegrenzen recht gut bewältigen kann. Das Problem bestand darin, den fehlerhaften Zustand zu erkennen.

Für diese Aufgabe kam die analoge Schaltung ins Spiel. Das System wurde als analoge Schaltung modelliert, und der Schaltung wurde der gleiche Eingang zugeführt wie dem System. Wenn sich die Ausgabe um einen zu großen Betrag unterschied, stimmte etwas im System (oder im Modell während der Entwicklungsphasen) nicht.

Die Berechnung des gesamten Modells mit einer Bildwiederholfrequenz von 1 kHz war für den Mikrocontroller in diesem Leistungsbudget nicht möglich.

Heute, mit dem Aufkommen von Cortex M4F, kommen Sie vielleicht näher, sie sind ziemlich beeindruckend, aber ich bezweifle, dass es noch möglich ist, sie einzudrücken.

Dies ist möglicherweise nicht die Modellierung, die der Fragesteller im Sinn hatte, aber es ist immer noch eine Anwendung einer analogen Schaltung zur Modellierung eines physikalischen Systems.

Die Leute benutzen nicht viel analoge Computer, weil sie nicht die notwendigen Berechnungen durchführen können, die für die Einrichtung und Simulation analoger Computer erforderlich sind. Glauben Sie mir, es gibt viel. Außerdem verfügen viele Menschen nicht über die erforderlichen elektronischen Fähigkeiten, um die elektronischen Schaltkreise zu patchen.

Das ist sehr traurig, weil ich glaube, dass wir nicht genug hochkarätige Ingenieure / Physiker hervorbringen, wenn wir in Schulen / Hochschulen / Universitäten keinen Anschein von analogem Rechnen machen. Es ist sehr einfach, aber nicht förderlich für das "echte" Erlernen des Gebrauchs eines PCs. Übrigens, kein Dozent in meiner Universitätsabteilung (Control Eng) konnte eine einfache analoge Schaltung reparieren, ich war der einzige!

Ich habe einen kleinen analogen Computer, den ich häufig benutze, um meine Hand in der Hand zu halten. Ich verwende ihn zur Simulation chemischer Prozesse und Anlagen ... Wärmetauscher, CSTR, neuronale Netze usw. Es macht Spaß! Ich benutze auch Steckbrett, um zusätzliche Operationsverstärker, Kappen und Widerstände anzubringen, die ebenfalls sehr billig und einfach zu befestigen sind.

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