Шариковый интегратор

использовалось несколько шаровых и дисковых интеграторов В приливных калькуляторах лорда Кельвина . Хорошо видны цилиндрический выходной вал, шарик и входной диск. Соотношение меняется путем перемещения шаров влево или вправо по стойке, видимой вверху.

Шарико -дисковый интегратор является ключевым компонентом многих современных механических компьютеров . С помощью простых механических средств он осуществляет непрерывную интеграцию значения входных данных. Типичным применением было измерение площади или объема материала в промышленных условиях, системы измерения дальности на кораблях и тахометрические бомбовые прицелы . Добавление усилителя крутящего момента привело Ванневара Буша к появлению дифференциальных анализаторов 1930-х и 1940-х годов.

Описание и работа

Базовый механизм состоит из двух входов и одного выхода. Первый вход представляет собой вращающийся диск, обычно с электрическим приводом и использующий своего рода регулятор , обеспечивающий его вращение с фиксированной скоростью. Второй вход представляет собой подвижную каретку, которая удерживает подшипник входного диска по его радиусу. Подшипник передает движение от диска на выходной вал. Ось выходного вала ориентирована параллельно рельсам каретки. Когда каретка скользит, подшипник остается в контакте как с диском, так и с выходным валом, позволяя одному приводить в движение другое.

Скорость вращения выходного вала регулируется перемещением каретки; это «интеграция». Когда подшипник расположен в центре диска, чистое движение не передается; выходной вал остается неподвижным. По мере того как каретка перемещает подшипник от центра к краю диска, подшипник и, следовательно, выходной вал начинают вращаться все быстрее и быстрее. По сути, это система двух передач с бесступенчатым передаточным числом ; когда подшипник расположен ближе к центру диска, передаточное число низкое (или нулевое), а когда подшипник ближе к краю, оно высокое.

Выходной вал может вращаться либо «вперед», либо «назад», в зависимости от направления смещения подшипника; это полезное свойство для интегратора.

Рассмотрим пример системы, которая измеряет общее количество воды, протекающей через шлюз : к входной каретке прикреплен поплавок, поэтому подшипник перемещается вверх и вниз вместе с уровнем воды. По мере повышения уровня воды подшипник отодвигается дальше от центра входного диска, увеличивая скорость вращения выходного диска. Подсчитав общее число оборотов выходного вала (например, прибором типа одометра ) и умножив на площадь поперечного сечения шлюза, можно определить общее количество воды, протекающей мимо счетчика.

История

Изобретение и раннее использование

Основная концепция шаро-дискового интегратора была впервые описана Джеймсом Томсоном , братом Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина . Уильям использовал эту концепцию для создания гармонического анализатора в 1886 году. Эта система использовалась для расчета коэффициентов ряда Фурье , представляющего входные данные, введенные в виде положений шаров. Входные данные были настроены на измерение высоты прилива в любом исследуемом порту. Затем выходной сигнал подавался в аналогичную машину, Гармонический синтезатор, который вращал несколько колес, чтобы представить фазу вклада Солнца и Луны. Провод, проходящий по верху колес, принимал максимальное значение, обозначающее прилив в порту в данный момент времени. Томсон упомянул о возможности использования той же системы в качестве способа решения дифференциальных уравнений , но понял, что выходной крутящий момент интегратора слишком мал для управления необходимыми последующими системами указателей.

За этим последовал ряд подобных систем, в частности системы Леонардо Торреса Кеведо , испанского физика, который построил несколько машин для решения действительных и сложных корней многочленов; и Майкельсон и Страттон, чей гармонический анализатор выполнил анализ Фурье, но с использованием массива из 80 пружин, а не интеграторов Кельвина. Эта работа привела к математическому пониманию Гиббса в представлении Фурье вблизи разрывов. явления перерегулирования

Военные компьютеры

На рубеже 20-го века на кораблях начали устанавливать орудия загоризонтной дальности. На таких расстояниях корректировщики на вышках не могли точно оценить дальность на глаз, что привело к внедрению еще более сложных систем определения дальности. Кроме того, артиллеристы больше не могли напрямую обнаружить падение собственного выстрела, полагаясь на то, что корректировщики сделают это и передадут им эту информацию. При этом скорость кораблей увеличивалась, последовательно преодолевая 20-узловой барьер в массовом порядке примерно ко времени введения в действие « Дредноутов» в 1906 году. Следовало централизованное управление огнем, чтобы управлять потоком информации и расчетами, но расчет стрельбы оказался очень сложным и подверженным ошибкам.

Решением стала таблица Дрейера , в которой использовался большой шаро-дисковый интегратор как способ сравнения движения цели относительно корабля и тем самым расчета ее дальности и скорости. На выходе был рулон бумаги. Первые системы были представлены примерно в 1912 году и установлены в 1914 году. Со временем в систему Дрейера добавлялось все больше и больше калькуляторов, учитывающих влияние ветра, поправки между кажущейся и реальной скоростью и направлением ветра на основе движения кораблей и аналогичные расчеты. К тому времени, когда системы Mark V были установлены на более поздних кораблях после 1918 года, системой могло совместно управлять до 50 человек.

Подобные устройства вскоре появились и в других флотах и ​​для других целей. ВМС США использовали несколько более простое устройство, известное как Rangekeeper , но со временем оно также постоянно модифицировалось и в конечном итоге превратилось в систему, равную или более сложную, чем британские версии. Похожий калькулятор лег в основу компьютера данных торпед , который решил более сложную проблему очень длительного времени ведения торпедного огня.

Хорошо известным примером является бомбовый прицел Norden , в котором использовалась небольшая вариация базовой конструкции, в которой шаровая часть была заменена другим диском. В этой системе интегратор использовался для расчета относительного движения объектов на земле с учетом высоты, скорости полета и курса. Сравнивая расчетные результаты с фактическим движением объектов на земле, любая разница будет связана с воздействием ветра на самолет. Циферблаты, устанавливающие эти значения, использовались для обнуления любого видимого дрейфа, что приводило к точным измерениям ветра, что раньше было очень сложной проблемой.

Интеграторы с шаровыми дисками использовались в аналоговых компьютерах наведения систем вооружения баллистических ракет еще в середине 1970-х годов. В ракетном комплексе « Першинг -1» использовалась инерциальная платформа наведения Bendix ST-120 в сочетании с механическим аналоговым компьютером для достижения точного наведения. ST-120 предоставлял информацию об акселерометре для всех трех осей. Акселерометр для движения вперед передавал свое положение радиальному рычагу положения шара, заставляя приспособление шара отходить от центра диска по мере увеличения ускорения. Сам диск представляет время и вращается с постоянной скоростью. Чем дальше шарик перемещается от центра диска, тем быстрее вращается шар. Скорость мяча представляет скорость ракеты, количество оборотов мяча представляет собой пройденное расстояние. Эти механические положения использовались для определения событий постановки, прекращения тяги и отделения боеголовки, а также сигналов «хорошего наведения», используемых для завершения цепи взведения боеголовки. Первое известное использование этой общей концепции было в Ракета Фау-2, разработанная группой Фон Брауна в Пенемюнде . См. акселерометр PIGA . Позже он был усовершенствован в Redstone Arsenal и применен к ракете Redstone , а затем к Pershing 1.

Библиография

• Основные механизмы в компьютерах управления огнем, Часть 1 (Кинофильм). ВМС США. 1953 год. Событие происходит в 30:53.
• Гирван, Рэй (май – июнь 2003 г.). «Раскрытое изящество механизма: вычисления после Бэббиджа» . Мир научных вычислений .