Có ai sử dụng op-amps để mô hình hóa các hệ thống vật lý nữa không?

Tôi đang học cho kỳ thi Mô hình hóa và Mô phỏng hệ thống. Vì vậy, sách giáo khoa nói rằng có ba loại mô hình.

Đồ họa - sơ đồ khối và đồ thị luồng tín hiệu.
Mô hình tương tự vật lý - mô hình tương tự vật lý.
Tượng trưng - mô hình ngôn ngữ và toán học.

Gác lại sự nghi ngờ của tôi rằng một sơ đồ khối không kém gì một mô hình toán học so với một hệ phương trình vi phân, đây là câu hỏi của tôi.

Họ định nghĩa mô hình tương tự vật lý là một phiên bản thu nhỏ của hệ thống ban đầu. Mặt khác, mô hình tương tự vật lý, đang sử dụng các mạch điện để mô hình hóa hệ thống thực.

Tôi nghĩ rằng điều này đã được thực hiện lần cuối cách đây 40 năm và hiện tại không có gì có thể vượt qua sức mạnh tính toán của máy tính kỹ thuật số hiện đại. Các mạch điện tương tự vẫn được sử dụng để mô hình một số hệ thống?

Smart Grid là một ví dụ điển hình trong đó điện toán tương tự vẫn được sử dụng. Máy tính tương tự có thể nhanh hơn để theo dõi hệ thống phức tạp, nhưng rõ ràng nó được điều khiển bởi các hệ thống kỹ thuật số ngày nay và được nhìn thấy qua các giao diện kỹ thuật số.

Một ứng dụng quan trọng khác của điện toán tương tự là cho các mạng thần kinh nhân tạo. Bản đồ Kohonen và các hệ thống thắng tất cả khác nhau có thể được thực hiện trên chip bằng cách sử dụng điện toán tương tự (sử dụng bộ khuếch đại và các thành phần phi tuyến tính).

Đừng quên viên bi thủy lực, khí nén và thậm chí lăn!

Nhưng nghiêm túc, tôi thấy một mô hình tuyệt vời của một tầng chứa nước được làm bằng một lưới điện trở và tụ điện. Bạn chỉ có thể cắt phạm vi đến bất kỳ ngã ba nào để có được dự đoán về mực nước trong thế kỷ tiếp theo.

Ngày nay chúng ta có thể giải một vài nghìn phương trình đồng thời trong vài giây hoặc ít hơn, vì vậy mô hình tầng chứa nước này khá dư thừa.

Mặt khác, chúng tôi sử dụng các mô hình vật lý mọi lúc trong các mạch rất đơn giản như bộ lọc thông thấp, bộ tích hợp. Nhưng đây là để thuận tiện cho mạch, không bao giờ cho việc điều tra một hệ thống vật lý. Vì vậy, để mô hình hóa, việc thực hiện kỹ thuật số sẽ dễ dàng hơn.

Nó vẫn còn trong bộ nhớ sống mà những máy như vậy đã được sử dụng (ít nhất là trong bộ nhớ sống của tôi). Dưới đây là hình ảnh về cỗ máy Phillips được Ngân hàng Anh sử dụng để mô hình hóa nền kinh tế. Nó đã được sử dụng trong những năm 1970.

(Xem bài viết http://www.theguardian.com/business/2008/may/08/bankofenglandgocateor.economics )

Máy Phillips. Ảnh: Graham Turner Graham Turner / Người bảo vệ

Các mạch điện tương tự vẫn được sử dụng để mô hình một số hệ thống?

Vâng tôi cũng nghĩ thế. Tuy nhiên, không phải như các mô hình phần cứng thực sự (như thời máy tính tương tự) mà là sơ đồ khối bao gồm bộ khuếch đại, bộ cộng, bộ điều khiển, bộ tích hợp, bộ lọc, ...

Đây là một phương pháp rất thuận tiện để tìm chức năng chuyển hệ thống và các thông tin liên quan như băng thông và tính ổn định - là kết quả của mô phỏng máy tính (điện toán tương tự trên máy tính kỹ thuật số). Đối với mục đích này, các chương trình mô phỏng theo định hướng và / hoặc biểu tượng khối có sẵn. Hơn thế nữa, một mô hình như vậy cung cấp cơ hội để sửa đổi hệ thống với mục đích cải thiện hành vi của hệ thống (phản ứng bước, tính ổn định, ...).

Mặc dù có thể đúng, ngày nay máy tính cực kỳ mạnh mẽ, bạn vẫn có thể đối mặt với các ứng dụng mà bạn gặp khó khăn về nguồn điện. Ở đó có thể không thể sử dụng một bộ vi điều khiển hoặc bộ xử lý đủ mạnh.

Trong những trường hợp đó, một mạch tương tự vẫn có thể là cách để đi.

Vì điều này nghe có vẻ khá mơ hồ và có lẽ không chỉ người hỏi tự hỏi điều này có liên quan gì đến việc mô hình hóa một hệ thống vật lý, tôi sẽ đưa ra một lời giải thích ngắn gọn về những gì tôi có trong đầu. Tôi không thể đi vào quá nhiều chi tiết nhưng ở đây đi:

Hệ thống điều khiển có thể chỉ mất 5mW điện. Cần phải điều khiển một hệ thống có tốc độ cập nhật 1kHz. Phải có một số loại cơ chế để phát hiện tình trạng lỗi bên trong hệ thống được kiểm soát một cách rất kịp thời, tốt nhất là trong thời gian thực (cũng là 1kHz).

Bây giờ cơ chế điều khiển được thực hiện trong một vi điều khiển có khả năng xử lý công việc đó khá tốt bên trong các ranh giới năng lượng này. Vấn đề là phát hiện tình trạng bị lỗi.

Đối với nhiệm vụ này, mạch tương tự được đưa vào. Hệ thống được mô hình hóa như một mạch tương tự, và đầu vào tương tự được áp dụng cho mạch như đối với hệ thống. Nếu đầu ra khác nhau từ một lượng lớn đến lớn, có một cái gì đó sai trong hệ thống (hoặc mô hình trong các giai đoạn phát triển).

Bây giờ việc tính toán toàn bộ mô hình với tốc độ làm mới 1kHz là không thể đối với vi điều khiển trong ngân sách năng lượng đó.

Ngày nay với sự ra đời của Cortex M4F, bạn có thể đến gần, chúng khá ấn tượng, nhưng tôi nghi ngờ rằng có thể siết chặt nó ngay.

Đây có thể không phải là mô hình mà người hỏi có trong đầu, nhưng nó vẫn là một ứng dụng của mạch tương tự để mô hình hóa một hệ thống vật lý.

Mọi người không sử dụng máy tính tương tự nhiều vì họ không thể thực hiện các phép toán cần thiết cho việc thiết lập và mô phỏng máy tính tương tự, hãy tin tôi là có rất nhiều. Ngoài ra nhiều người không có các kỹ năng điện tử cần thiết để vá các mạch điện tử.

Điều này rất buồn vì tôi tin rằng bằng cách không thực hiện một số ngữ nghĩa của điện toán tương tự trong các trường học / cao đẳng / đại học, chúng tôi không tạo ra đủ các kỹ sư / nhà vật lý có trình độ cao. Điều đó rất dễ dàng, nhưng không có lợi cho việc học 'thực tế' để sử dụng PC. BTW, không có giảng viên nào trong khoa đại học của tôi (điều khiển Eng), có thể vá một mạch tương tự đơn giản lên, tôi là người duy nhất!

Tôi có một máy tính tương tự nhỏ mà tôi thường sử dụng chỉ để giữ tay, tôi sử dụng nó để mô phỏng các quá trình hóa học và nhà máy ... Bộ trao đổi nhiệt, CSTR, mạng lưới thần kinh, v.v ... thật vui! Tôi cũng sử dụng Breadboard để gắn thêm op-amps, mũ và điện trở cũng rất rẻ và dễ dàng để kết nối các mạch điện toán tương tự.

Sách tương tự (cũng tương tự) vẫn có sẵn và giá rẻ! Hãy thử sách ABE. anybook.biz. BTW Tôi nghĩ rằng Nga vẫn đang thử nghiệm với họ!