Qualcuno usa più gli op-amp per modellare i sistemi fisici?


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Sto studiando per il mio esame di modellizzazione e simulazione del sistema. Quindi il libro di testo dice che ci sono tre categorie di modelli.

Grafico - diagrammi a blocchi e diagrammi di flusso del segnale.
Modelli di somiglianza fisico-fisica e modelli di analogia fisica.
Simbolico - modelli linguistici e matematici.

Mettendo da parte il mio sospetto che uno schema a blocchi non sia meno un modello matematico di un sistema di equazioni differenziali, ecco la mia domanda.

Definiscono il modello di somiglianza fisica come una versione ridotta del sistema originale. D'altra parte, il modello di analogia fisica utilizza i circuiti elettrici per modellare il sistema reale.

Pensavo che questo fosse stato fatto l'ultima volta 40 anni fa e attualmente nulla può battere la potenza computazionale dei moderni computer digitali. I circuiti elettrici analogici sono ancora utilizzati per modellare alcuni sistemi?


Non penso che al giorno d'oggi nessuno stia costruendo un circuito analogico per risolvere una serie di equazioni differenziali; uno invece userebbe qualcosa come Matlab o simulink. L'amplificatore operazionale non è così "operativo" oggi, ma potrei sbagliarmi. Domanda interessante.
Roger C.,

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L'ho fatto una volta, 20 anni fa, al college. Da allora, a cui ho mai parlato, ha risposto "Hai fatto cosa?"
Roland Mieslinger,

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Mi sono piaciuti perché ha dato un po '"feeling" alla dinamica dietro certe equazioni differenziali. Puoi variare i parametri in tempo reale e "vedere" (oscilloscopio) cosa succede. Puoi simularli numericamente, ma non è lo stesso per me. Un po 'come sintonizzare una radio con un quadrante digitale rispetto a un quadrante analogico (mentre si cammina a piedi nudi sulla neve).
Copper.hat

L'ultimo grande computer analogico di cui ero personalmente a conoscenza fu messo in ginocchio una ventina di anni fa e smantellato cinque anni dopo.
dmckee --- ex gattino moderatore

@Roger: sono ancora ampiamente utilizzati nel condizionamento del segnale, poiché i sistemi digitali possono solo elaborare dati digitali e la conversione da analogico a digitale funziona meglio con l'antialiasing analogico (sebbene anche il supersampling sia un'opzione) e la pre-amplificazione. E questi preamplificatori possono eseguire operazioni più complicate del semplice guadagno di tensione, ad esempio conversione corrente-tensione, integrazione, sottrazione e talvolta anche risposta logaritmica. Ma questo non è davvero un tentativo di implementare un modello di sistema.
Ben Voigt,

Risposte:


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Smart Grid è un tipico esempio di utilizzo dell'elaborazione analogica. Il computer analogico può essere più veloce per il tracciamento di sistemi complessi, ma oggi è ovviamente controllato da sistemi digitali e visto attraverso interfacce digitali.

Un'altra importante applicazione del calcolo analogico è per le reti neurali artificiali. Le mappe Kohonen e vari sistemi vincitori possono essere implementati su chip utilizzando il calcolo analogico (utilizzando amplificatori e componenti non lineari).


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Non dimenticare i marmi idraulici, pneumatici e persino rotolanti!

Ma sul serio, ho visto un grande modello di un acquifero realizzato con una rete di resistori e condensatori. Potresti semplicemente tagliare l'ambito a qualsiasi incrocio per ottenere una previsione del livello dell'acqua per il prossimo secolo.

In questi giorni possiamo risolvere alcune migliaia di equazioni simultanee in pochi secondi o meno, quindi questo modello di falda acquifera è abbastanza ridondante.

D'altra parte, utilizziamo continuamente modelli fisici in circuiti molto semplici come filtri passa basso, integratori. Ma questi sono per comodità del circuito, mai per l'indagine di un sistema fisico. Quindi, per la modellazione, è più semplice farlo in modo digitale.



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I circuiti elettrici analogici sono ancora utilizzati per modellare alcuni sistemi?

Penso di sì. Tuttavia, non come modelli hardware reali (come ai tempi dei computer analogici) ma come diagrammi a blocchi costituiti da amplificatori, additivi, controller, integratori, filtri, ...

Questo è un metodo molto conveniente per trovare la funzione di trasferimento dei sistemi e informazioni correlate come larghezza di banda e proprietà di stabilità - come risultato della simulazione al computer (elaborazione analogica su un computer digitale). A tale scopo sono disponibili programmi di simulazione orientati allo schema a blocchi e / o simbolici. Inoltre, un tale modello offre l'opportunità di modificare il sistema allo scopo di migliorare il comportamento del sistema (risposta al gradino, stabilità, ...).


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Anche se potrebbe essere vero, che i computer sono estremamente potenti in questi giorni, è ancora possibile affrontare le applicazioni in cui si hanno forti vincoli di potenza. Lì potrebbe non essere possibile utilizzare un microcontrollore o un processore abbastanza potente.

In quei casi un circuito analogico potrebbe essere ancora la strada da percorrere.

Dato che questo suona piuttosto vago e probabilmente non solo chi si chiede cosa abbia a che fare con la modellazione di un sistema fisico, darò una breve spiegazione di ciò che ho in mente. Non posso entrare in troppi dettagli ma qui va:

Il sistema di controllo può richiedere solo 5mW di potenza. È necessario per controllare un sistema con una frequenza di aggiornamento di 1kHz. Ci deve essere una sorta di meccanismo per rilevare una condizione difettosa all'interno del sistema controllato in modo tempestivo, nella migliore delle ipotesi in tempo reale (anche 1kHz).

Ora il meccanismo di controllo è implementato in un microcontrollore che è in grado di gestire quel compito abbastanza bene all'interno di questi confini energetici. Il problema era rilevare la condizione difettosa.

Per questo compito è entrato il circuito analogico. Il sistema è stato modellato come un circuito analogico e lo stesso ingresso è stato applicato al circuito del sistema. Se l'output differiva da una grande quantità, c'era qualcosa di sbagliato nel sistema (o nel modello durante le fasi di sviluppo).

Ora calcolare l'intero modello a una frequenza di aggiornamento di 1kHz non era possibile per il microcontrollore in quel budget di potenza.

Oggi con l'avvento di Cortex M4F, potresti avvicinarti, sono piuttosto impressionanti, ma dubito che sia ancora possibile comprimerlo.

Questo potrebbe non essere il modello che aveva in mente il richiedente, ma è comunque un'applicazione di un circuito analogico per modellare un sistema fisico.


Un commento sul perché la mia risposta è stata declassata mi aiuterebbe a migliorarla.
Arsenal,

Per quanto ho capito la mia domanda, si tratta di cercare di capire un fenomeno fisico, ad esempio scrivendo equazioni differenziali. Dove entra in gioco la progettazione di circuiti a bassa potenza? Anche piccoli UC possono funzionare su uA e dormire su nA-a - è necessaria la giustificazione per cui il circuito analogico potrebbe calcolarli.
Vorac,

@Vorac Ho aggiornato la mia risposta con un esempio del perché questo è rilevante secondo me. Forse non nel senso in cui hai immaginato per la prima volta la tua domanda.
Arsenal,

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Le persone non usano molto i computer analogici perché non sono in grado di fare i necessari calcoli necessari per la configurazione e la simulazione dei computer analogici, credetemi, ce ne sono molti. Inoltre molte persone non hanno le competenze elettroniche necessarie per patchare i circuiti elettronici.

Questo è molto triste perché credo che non facendo una parvenza di calcolo analogico nelle scuole / college / università non stiamo ottenendo abbastanza ingegneri / fisici di alto livello. È molto semplice, ma non favorevole all'apprendimento "reale" dell'uso di un PC. A proposito, nessun docente nel mio dipartimento universitario (controllo Eng), poteva rattoppare un semplice circuito analogico, ero l'unico!

Ho un piccolo computer analogico che uso spesso solo per tenermi la mano dentro; lo uso per simulare processi chimici e impianti ... Scambiatori di calore, CSTR, reti neurali, ecc. È molto divertente! Uso anche la breadboard per collegare ulteriori op-amp, calotte e resistenze anche circuiti di calcolo analogici molto economici e facili da agganciare.

I libri analogici (anche analogici) sono ancora disponibili ed economici! Prova i libri ABE. anybook.biz. A proposito, penso che la Russia stia ancora sperimentando con loro!

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