В 1945 — 1946 гг. под руководством Л.И. Гутенмахера были разработаны первые электронные аналоговые машины с повторением решения. Но с 1949 г. коллектив советских разработчиков, возглавляемых В.Б. Ушаковым и В.А. Трапезниковым, изобрел ряд АВМ на постоянном токе. С этого года началась история развития аналоговой вычислительной техники в СССР. Использование операционных усилителей, которые работали по принципу систем автоматического регулирования с глубокой отрицательной обратной связью, дало возможность осуществить точное моделирование математических операторов, а также параллельную обработку информации в реальном времени при решении систем дифференциальных уравнений.
В 1949 г. лабораторией электромоделирования ИТМиВТ и отделом главного конструктора Пензенского завода САМ Б.А. Маткина был выпущен электронно-ламповый интегратор ЭЛИ-12. Он предназначался для решения системы дифференциальных уравнений 12 порядка с постоянными коэффициентами и постоянными правыми частями. Процесс решения задачи автоматически повторялся, в следствии чего результаты решения отображались, измерялись и фотографировались на экране ЭЛТ.
После доработки схем и конструкции электронно-лампового интегратора, а также подготовки к промышленному выпуску, на заводе началось серийное производство ЭЛИ-12-1.
На его схемно-конструктивной базе был разработан интегратор ЭЛИ-14, на котором решались дифференциальные уравнения шестого порядка. Насчитывалось 6 решающих блоков. Для изготовления коммутационных трубок использовался неолейкорит, который отличался повышенными изоляционными свойствами.
В 1949–1950 гг. в НИИ-885 коллективом под руководством В.Б. Ушакова были созданы первые АВМ, которые назывались интеграторами постоянного тока. В 1949 г. — «ИПТ-1», «ИПТ-2» и «ИПТ-3», в 1950 г. — «ИПТ-4» и «ИПТ-5», выпускающиеся серийно. Эти машины предназначались для решения линейных дифференциальных уравнений с постоянными и переменными коэффициентами. Благодаря операционным усилителям АВМ обеспечивали решение наиболее важных задач в разных научных и технических областях (авиации, ракетостроении, космических исследованиях, оборонной промышленности и др.).
Первые АВМ на электронных лампах были созданы объединенными усилиями двух коллективов: НИИ-855 МРП СССР и ИАТ АН СССР. Серийный выпуск АВМ был организован на Московском, Пензенском и Кишиневском заводах счетно-аналитических машин и ряде других заводов радиопромышленности.
Разработанные в 1952–1953 гг. под руководством В. Б. Ушакова АВМ получили наименование «моделирующие установки постоянного тока» (МПТ). Серийные АВМ «МПТ-9» предназначались для решения линейных дифференциальных уравнений, «МПТ-11»– для решения нелинейных дифференциальных уравнений.
В 1955 г. была разработана первая советская прецизионная АВМ большой мощности «МН-8». Она являлась самой крупной нелинейной электронной математической машиной непрерывного действия. Команду разработчиков возглавлял В.Б. Ушаков. Машиной должны были решаться дифференциальные уравнения шестнадцатого и более высокого порядка (32 интегрирующих блока). В случае с шестнадцатым порядком использовалась половина линейной части.
Электронная моделирующая установка состояла из 13 секций. Задачи набирались с помощью шнуровых соединенияй на коммутационных полях линейной части. Посредством пары пультов управления, одновременно решались две разные задачи. Максимальная длительность процесса интегрирования доходила до 10 000 секунд, а потребляемая мощность была 25 кВт.
«МН-8» осуществляла до 48 операций суммирования 264 слагаемых, 48 умножений на постоянный коэффициент, 36 умножений на переменный коэффициент, 12 точных перемножений искомых величин. Также была возможность набора 10 нелинейных зависимостей функции от одной переменной, 40 нелинейных зависимостей типа сигнатуры, 9 нелинейных зависимостей типичных характеристик (люфта, ограничения, зоны нечувствительности).
В машине насчитывалось 400 операционных усилителей с индивидуальной автоматической стабилизацией нуля и усовершенствованной схемой их контроля. Через мощные усилители с экономичным выходом происходило взаимодействие с реальной аппаратурой. У схемы управления имелся дополнительный контроль.
Сравниться с советской моделью могли лишь три зарубежных образца:
— американская электромоделирующая установка «Тайфун» (Typhoon), выпущенна в 1951 г.;
— английская электромоделирующая установка «Тридак («Trydac» — Three Dimensional Analogue Computer), создавалась в период 1950 — 1954 гг. Она представляла из себя электронно-гидравлический имитатор, с помощью которого исследовалось управление снарядами;
— американская установка «Конвайр» («Convair»), выпущенна в 1954 г.
Особенностью «МН-8» было то, что длительность процессов, исследуемых установкой в натуральном масштабе времени, могло быть как малой величиной (равной нескольким секундам), так и очень значительной.
Схема интегрирующего блока ускорила процесс расширения, она позволяла автоматически изменять масштаб времени одновременно для всех таких блоков установки в 10 раз.
В «МН-8» применялись прецизионные блоки перемножения. Они давали возможность получать статическую точность операции перемножения около ±0,01%. Количество блоков в машине позволяло получать 12 операций точного перемножения переменных.
В состав «МН-8» входило 48 точных блоков для ввода переменных коэффициентов, практически воспроизводивших график переменного коэффициента методом кусочно-линейной аппроксимации. А также входило 40 специальных нелинейных блоки для выполнения нелинейных зависимостей типа сигнатуры. Это усовершенствование значительно расширило возможности машины.
Советская электромоделирующая установка имела усовершенствованную схему управления. На базе десятичного цифрового счетчика был построен электронный блок измерителя времени. С его помощью проводилась синхронизация работы всех функциональных блоков. Процесс решения мог периодически повторяться или останавливаться в заранее заданные отрезки времени.
В «МН-8» использовались диодно-триодные электронные схемы для универсальных блоков, которые предназначались для воспроизведения нелинейных функций от одной переменной при точности набора функций ±0,2.
Блок позволял набирать очень крутые фронты функции, а также функции с резкими изломами.
Моделируемая система уравнений набиралась в соответствии с блок-схемой решения задачи на коммутационных полях, что находились на секциях линейных блоков установки. Магистральные линии между секциями давали возможность использовать в одной задаче блоки соседних секций. В «МН-8» не было съемных коммутационных полей.
Регистрация и контроль выходных величин проводились с помощью шести быстродействующих электронных потенциометров, электронно-цифрового вольтметра, электронно-лучевого индикатора и других измерительных приборов.
У «МН-8» насчитывалось 14 стоек. В конструкции устройства применялись малогабаритные блоки, так что оно было относительно компактное. Схема электромоделирующей установки вмещала много высококачественных электрических деталей (они значительно повышали точность работы). Например, в схеме секций питания применялось около 8000 германиевых плоскостных диодов.
«МН-8» выпускалась серийно Пензенским заводом САМ.
В 1958 г. вышла электронная моделирующая установка «МН-9». Она предназначалась для исследования динамики основных частей часового механизма. Руководил разработкой главный конструктор И.М. Витенберг.
У «МН-9» была стендовая конструкция. С помощью переключателей и рукояток, размещавшихся на лицевых панелях машины, устанавливались режими работы.
«МН-9» решала системы обыкновенных линейных уравнений с переменными коэффициентами. Устройство насчитывало 5 блоков суммирующего усилителя, 40 блоков постоянных коэффициентов и 9 блоков нелинейной функции от одной переменной. У «МН-9» было 28 усилителей с централизованной автоматической установкой нулей по схеме с конденсаторами и характеризуемся наличием электронной схемы для автоматической коммутации блоков машины в функции искомой переменной.
Электронная моделирующая установка «МН-9» не выпускалась серийно.
В 1957 г. вышла новая разработка советских специалистов — малогабаритная нелинейная безламповая моделирующая установка «МН-10». Она была первой аналоговой вычислительной машиной со схемой, полностью выполненной на полупроводниковых элементах. С помощью установки решались и исследовались задачи, которые описывались обыкновенными нелинейными дифференциальными уравнениями. Например вот этого:
, где i=1, 2,..., 6.
В том числе установка давала возможность решать дифференциальные уравнения, в которых содержалось до 6 нелинейных зависимостей вида функции от одной переменной или произведения двух переменных. Работа могла проводиться в натуральном масштабе времени. Результаты задач демонстрировались на электронно-лучевом индикаторе типа И-5 или И-4.
В состав «МН-10» входили 24 малогабаритных операционных усилителя постоянного тока. Они выполняли операции интегрирования, дифференцирования, суммирования и масштабных преобразований. Также 4 диодных ячейки, которые использовались в схемах, воспроизводящих типичные нелинейные зависимости вида петли гистерезиса, момента сухого трения, зоны нечувствительности и ограничения.
Устройство занимало площадь 0,3 м2, весило 75 кг. Диапазон изменения переменных величин установки колебался от 30 В до +30 В. Длительность процесса интегрирования составляла 200 секунд.
Питание «МН-10» поступало от блока ЭСВ-10, входящего в ее комплект. А питание от сети подавалось однофазным переменным током напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Потребляемая мощность составляла 100 Вт.
В 70-х установка прошла модернизацию и начала выпускаться серийно.
Аналоговая вычислительная машина «МН-10М» была разработана специалистами Пензенского завода. Модель относилась к малогабаритным настольным машинам небольшой мощности, с помощью которой исследовались реальные динамические системы методом математического моделирования. Также «МН-10М» предназначалась для интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений не выше десятого порядка.
Габариты машины составляли 460 × 615 × 445 мм., а вес — 50 кг. В состав «МН-10М» входило 24 операционных усилителя, а также набор из 12 обратных связей.
Благодаря комплекту операционных блоков можно было осуществлять различные операции:
— операции интегрирования с одновременным суммированием (до 10);
— операции инвертирования или суммирования (до 24);
— задание на делителях напряжения (до 60 постоянных коэффициентов);
— воспроизведение однозначных непрерывных нелинейных функций от одной переменной с одновременным суммированием нескольких переменных;
— операцию перемножения или деления с одновременным суммированием нескольких переменных;
— воспроизведение до 6 типовых нелинейных зависимостей вида зоны нечувствительности, ограничения, сухого трения;
— операции условного перехода (до 4).
Более сложные задачи решались параллельно двумя или тремя машинами «МН-10М». Наблюдать и измерять результат задачи можно было по стрелочному прибору машины или по внешнему регистрирующему прибору (ДРП, ЭПП-09, шлейфовому осциллографу). В состав машины они не входили.
Предусматривалось сопряжение с внешней аппаратурой. Питание «МН-10М» поступало от блока ЭСВ-4, который входил в её комплект. А питание от сети подавалось однофазным переменным током напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Потребляемая мощность составляла 250 Вт. Схема машины и источника питания была полностью построена на полупроводниковых элементах.
Машиной решались обыкновенные дифференциальные уравнения. Диапазон изменения переменных величин был от — 25 В до + 25 В. Длительность процесса интегрирования составляла 200 секунд.
Блок «МН-10М» включал электронный стабилизированный выпрямитель (ЭСВ-4), аналоговую вычислительную машину связи (АВМ), каналы связи с внешней аппаратурой, со второй и с третьей машиной.
Более 100 000 АВМ было изготовлено за первые 20 лет. От простых до самых мощных, вроде «МН-8». Первое время машины использовались по большей части в виде самостоятельных средств математического моделирования динамических объектов в реальном времени. Но примерно в 60-70-х прогресс в области цифровой электроники потребовал совместной обработки информации АВМ и ЦВМ.
Начало развития
В 1949 г. лабораторией электромоделирования ИТМиВТ и отделом главного конструктора Пензенского завода САМ Б.А. Маткина был выпущен электронно-ламповый интегратор ЭЛИ-12. Он предназначался для решения системы дифференциальных уравнений 12 порядка с постоянными коэффициентами и постоянными правыми частями. Процесс решения задачи автоматически повторялся, в следствии чего результаты решения отображались, измерялись и фотографировались на экране ЭЛТ.
После доработки схем и конструкции электронно-лампового интегратора, а также подготовки к промышленному выпуску, на заводе началось серийное производство ЭЛИ-12-1.
На его схемно-конструктивной базе был разработан интегратор ЭЛИ-14, на котором решались дифференциальные уравнения шестого порядка. Насчитывалось 6 решающих блоков. Для изготовления коммутационных трубок использовался неолейкорит, который отличался повышенными изоляционными свойствами.
В 1949–1950 гг. в НИИ-885 коллективом под руководством В.Б. Ушакова были созданы первые АВМ, которые назывались интеграторами постоянного тока. В 1949 г. — «ИПТ-1», «ИПТ-2» и «ИПТ-3», в 1950 г. — «ИПТ-4» и «ИПТ-5», выпускающиеся серийно. Эти машины предназначались для решения линейных дифференциальных уравнений с постоянными и переменными коэффициентами. Благодаря операционным усилителям АВМ обеспечивали решение наиболее важных задач в разных научных и технических областях (авиации, ракетостроении, космических исследованиях, оборонной промышленности и др.).
Первые АВМ на электронных лампах были созданы объединенными усилиями двух коллективов: НИИ-855 МРП СССР и ИАТ АН СССР. Серийный выпуск АВМ был организован на Московском, Пензенском и Кишиневском заводах счетно-аналитических машин и ряде других заводов радиопромышленности.
Разработанные в 1952–1953 гг. под руководством В. Б. Ушакова АВМ получили наименование «моделирующие установки постоянного тока» (МПТ). Серийные АВМ «МПТ-9» предназначались для решения линейных дифференциальных уравнений, «МПТ-11»– для решения нелинейных дифференциальных уравнений.
«МН-8»
В 1955 г. была разработана первая советская прецизионная АВМ большой мощности «МН-8». Она являлась самой крупной нелинейной электронной математической машиной непрерывного действия. Команду разработчиков возглавлял В.Б. Ушаков. Машиной должны были решаться дифференциальные уравнения шестнадцатого и более высокого порядка (32 интегрирующих блока). В случае с шестнадцатым порядком использовалась половина линейной части.
Электронная моделирующая установка состояла из 13 секций. Задачи набирались с помощью шнуровых соединенияй на коммутационных полях линейной части. Посредством пары пультов управления, одновременно решались две разные задачи. Максимальная длительность процесса интегрирования доходила до 10 000 секунд, а потребляемая мощность была 25 кВт.
«МН-8» осуществляла до 48 операций суммирования 264 слагаемых, 48 умножений на постоянный коэффициент, 36 умножений на переменный коэффициент, 12 точных перемножений искомых величин. Также была возможность набора 10 нелинейных зависимостей функции от одной переменной, 40 нелинейных зависимостей типа сигнатуры, 9 нелинейных зависимостей типичных характеристик (люфта, ограничения, зоны нечувствительности).
В машине насчитывалось 400 операционных усилителей с индивидуальной автоматической стабилизацией нуля и усовершенствованной схемой их контроля. Через мощные усилители с экономичным выходом происходило взаимодействие с реальной аппаратурой. У схемы управления имелся дополнительный контроль.
Сравниться с советской моделью могли лишь три зарубежных образца:
— американская электромоделирующая установка «Тайфун» (Typhoon), выпущенна в 1951 г.;
— английская электромоделирующая установка «Тридак («Trydac» — Three Dimensional Analogue Computer), создавалась в период 1950 — 1954 гг. Она представляла из себя электронно-гидравлический имитатор, с помощью которого исследовалось управление снарядами;
— американская установка «Конвайр» («Convair»), выпущенна в 1954 г.
Особенностью «МН-8» было то, что длительность процессов, исследуемых установкой в натуральном масштабе времени, могло быть как малой величиной (равной нескольким секундам), так и очень значительной.
Схема интегрирующего блока ускорила процесс расширения, она позволяла автоматически изменять масштаб времени одновременно для всех таких блоков установки в 10 раз.
В «МН-8» применялись прецизионные блоки перемножения. Они давали возможность получать статическую точность операции перемножения около ±0,01%. Количество блоков в машине позволяло получать 12 операций точного перемножения переменных.
В состав «МН-8» входило 48 точных блоков для ввода переменных коэффициентов, практически воспроизводивших график переменного коэффициента методом кусочно-линейной аппроксимации. А также входило 40 специальных нелинейных блоки для выполнения нелинейных зависимостей типа сигнатуры. Это усовершенствование значительно расширило возможности машины.
Советская электромоделирующая установка имела усовершенствованную схему управления. На базе десятичного цифрового счетчика был построен электронный блок измерителя времени. С его помощью проводилась синхронизация работы всех функциональных блоков. Процесс решения мог периодически повторяться или останавливаться в заранее заданные отрезки времени.
В «МН-8» использовались диодно-триодные электронные схемы для универсальных блоков, которые предназначались для воспроизведения нелинейных функций от одной переменной при точности набора функций ±0,2.
Блок позволял набирать очень крутые фронты функции, а также функции с резкими изломами.
Моделируемая система уравнений набиралась в соответствии с блок-схемой решения задачи на коммутационных полях, что находились на секциях линейных блоков установки. Магистральные линии между секциями давали возможность использовать в одной задаче блоки соседних секций. В «МН-8» не было съемных коммутационных полей.
Регистрация и контроль выходных величин проводились с помощью шести быстродействующих электронных потенциометров, электронно-цифрового вольтметра, электронно-лучевого индикатора и других измерительных приборов.
У «МН-8» насчитывалось 14 стоек. В конструкции устройства применялись малогабаритные блоки, так что оно было относительно компактное. Схема электромоделирующей установки вмещала много высококачественных электрических деталей (они значительно повышали точность работы). Например, в схеме секций питания применялось около 8000 германиевых плоскостных диодов.
«МН-8» выпускалась серийно Пензенским заводом САМ.
«МН-9»
В 1958 г. вышла электронная моделирующая установка «МН-9». Она предназначалась для исследования динамики основных частей часового механизма. Руководил разработкой главный конструктор И.М. Витенберг.
У «МН-9» была стендовая конструкция. С помощью переключателей и рукояток, размещавшихся на лицевых панелях машины, устанавливались режими работы.
«МН-9» решала системы обыкновенных линейных уравнений с переменными коэффициентами. Устройство насчитывало 5 блоков суммирующего усилителя, 40 блоков постоянных коэффициентов и 9 блоков нелинейной функции от одной переменной. У «МН-9» было 28 усилителей с централизованной автоматической установкой нулей по схеме с конденсаторами и характеризуемся наличием электронной схемы для автоматической коммутации блоков машины в функции искомой переменной.
Электронная моделирующая установка «МН-9» не выпускалась серийно.
«МН-10»
В 1957 г. вышла новая разработка советских специалистов — малогабаритная нелинейная безламповая моделирующая установка «МН-10». Она была первой аналоговой вычислительной машиной со схемой, полностью выполненной на полупроводниковых элементах. С помощью установки решались и исследовались задачи, которые описывались обыкновенными нелинейными дифференциальными уравнениями. Например вот этого:
, где i=1, 2,..., 6.
В том числе установка давала возможность решать дифференциальные уравнения, в которых содержалось до 6 нелинейных зависимостей вида функции от одной переменной или произведения двух переменных. Работа могла проводиться в натуральном масштабе времени. Результаты задач демонстрировались на электронно-лучевом индикаторе типа И-5 или И-4.
В состав «МН-10» входили 24 малогабаритных операционных усилителя постоянного тока. Они выполняли операции интегрирования, дифференцирования, суммирования и масштабных преобразований. Также 4 диодных ячейки, которые использовались в схемах, воспроизводящих типичные нелинейные зависимости вида петли гистерезиса, момента сухого трения, зоны нечувствительности и ограничения.
Устройство занимало площадь 0,3 м2, весило 75 кг. Диапазон изменения переменных величин установки колебался от 30 В до +30 В. Длительность процесса интегрирования составляла 200 секунд.
Питание «МН-10» поступало от блока ЭСВ-10, входящего в ее комплект. А питание от сети подавалось однофазным переменным током напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Потребляемая мощность составляла 100 Вт.
В 70-х установка прошла модернизацию и начала выпускаться серийно.
«МН-10М»
Аналоговая вычислительная машина «МН-10М» была разработана специалистами Пензенского завода. Модель относилась к малогабаритным настольным машинам небольшой мощности, с помощью которой исследовались реальные динамические системы методом математического моделирования. Также «МН-10М» предназначалась для интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений не выше десятого порядка.
Габариты машины составляли 460 × 615 × 445 мм., а вес — 50 кг. В состав «МН-10М» входило 24 операционных усилителя, а также набор из 12 обратных связей.
Благодаря комплекту операционных блоков можно было осуществлять различные операции:
— операции интегрирования с одновременным суммированием (до 10);
— операции инвертирования или суммирования (до 24);
— задание на делителях напряжения (до 60 постоянных коэффициентов);
— воспроизведение однозначных непрерывных нелинейных функций от одной переменной с одновременным суммированием нескольких переменных;
— операцию перемножения или деления с одновременным суммированием нескольких переменных;
— воспроизведение до 6 типовых нелинейных зависимостей вида зоны нечувствительности, ограничения, сухого трения;
— операции условного перехода (до 4).
Более сложные задачи решались параллельно двумя или тремя машинами «МН-10М». Наблюдать и измерять результат задачи можно было по стрелочному прибору машины или по внешнему регистрирующему прибору (ДРП, ЭПП-09, шлейфовому осциллографу). В состав машины они не входили.
Предусматривалось сопряжение с внешней аппаратурой. Питание «МН-10М» поступало от блока ЭСВ-4, который входил в её комплект. А питание от сети подавалось однофазным переменным током напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Потребляемая мощность составляла 250 Вт. Схема машины и источника питания была полностью построена на полупроводниковых элементах.
Машиной решались обыкновенные дифференциальные уравнения. Диапазон изменения переменных величин был от — 25 В до + 25 В. Длительность процесса интегрирования составляла 200 секунд.
Блок «МН-10М» включал электронный стабилизированный выпрямитель (ЭСВ-4), аналоговую вычислительную машину связи (АВМ), каналы связи с внешней аппаратурой, со второй и с третьей машиной.
Более 100 000 АВМ было изготовлено за первые 20 лет. От простых до самых мощных, вроде «МН-8». Первое время машины использовались по большей части в виде самостоятельных средств математического моделирования динамических объектов в реальном времени. Но примерно в 60-70-х прогресс в области цифровой электроники потребовал совместной обработки информации АВМ и ЦВМ.
