¿Alguien usa amplificadores operacionales para modelar sistemas físicos?

Estoy estudiando para mi examen de Modelado y Simulación de Sistemas. Entonces el libro de texto dice que hay tres categorías de modelos.

Gráfica: diagramas de bloques y gráficos de flujo de señal.
Físico - modelos de similitud física y modelos de analogía física.
Simbólico - modelos lingüísticos y matemáticos.

Dejando a un lado mi sospecha de que un diagrama de bloques no es menos un modelo matemático que un sistema de ecuaciones diferenciales, aquí está mi pregunta.

Definen el modelo de similitud física como una versión reducida del sistema original. Por otro lado, el modelo de analogía física, está utilizando circuitos eléctricos para modelar el sistema real.

Pensé que esto se hizo por última vez hace 40 años, y actualmente nada puede vencer el poder computacional de las computadoras digitales modernas. ¿Se siguen utilizando circuitos eléctricos analógicos para modelar algunos sistemas?

Smart Grid es un ejemplo típico donde todavía se usa la computación analógica. La computadora analógica puede ser más rápida para el seguimiento de sistemas complejos, pero obviamente está controlada por sistemas digitales hoy en día y se ve a través de interfaces digitales.

Otra aplicación importante de la computación analógica es para redes neuronales artificiales. Los mapas de Kohonen y varios sistemas ganadores se pueden implementar en el chip usando computación analógica (usando amplificadores y componentes no lineales).

¡No olvide las canicas hidráulicas, neumáticas e incluso rodantes!

Pero en serio, vi un gran modelo de un acuífero hecho con una malla de resistencias y condensadores. Simplemente puede acortar el alcance a cualquier cruce para obtener una predicción del nivel del agua para el próximo siglo.

En estos días podemos resolver unos pocos miles de ecuaciones simultáneas en unos segundos o menos, por lo que este modelo de acuífero es bastante redundante.

Por otro lado, usamos modelos físicos todo el tiempo en circuitos muy simples como filtros de paso bajo, integradores. Pero estos son para la conveniencia del circuito, nunca para la investigación de un sistema físico. Entonces, para el modelado, es más fácil hacerlo digitalmente.

Todavía está dentro de la memoria viva, se usaron tales máquinas (al menos en mi memoria viva). A continuación se muestra una foto de la máquina Phillips utilizada por el Banco de Inglaterra para modelar la economía. Se dejó de usar en la década de 1970.

(Ver artículo http://www.theguardian.com/business/2008/may/08/bankofenglandgovernor.economics )

La máquina Phillips. Fotografía: Graham Turner Graham Turner / Guardian

¿Se siguen utilizando circuitos eléctricos analógicos para modelar algunos sistemas?

Sí, eso creo. Sin embargo, no como modelos de hardware real (como en los días de las computadoras analógicas) sino como diagramas de bloques que consisten en amplificadores, sumadores, controladores, integradores, filtros, ...

Este es un método muy conveniente para encontrar la función de transferencia de sistemas y la información relacionada, como el ancho de banda y las propiedades de estabilidad, como resultado de la simulación por computadora (computación analógica en una computadora digital). Para este propósito, hay disponibles programas de simulación simbólica y / o orientados a diagramas de bloques. Más que eso, dicho modelo ofrece la oportunidad de modificar el sistema con el objetivo de mejorar el comportamiento del sistema (respuesta de pasos, estabilidad, ...).

Si bien puede ser cierto, que las computadoras son extremadamente poderosas en estos días, aún puede enfrentar aplicaciones donde tiene fuertes restricciones de energía. Allí podría no ser posible utilizar un microcontrolador o procesador lo suficientemente potente.

En esos casos, un circuito analógico podría ser el camino a seguir.

Como esto suena bastante vago y probablemente no solo el que pregunta se pregunta qué tiene que ver esto con el modelado de un sistema físico, daré una breve explicación de lo que tengo en mente. No puedo entrar en demasiados detalles, pero aquí va:

El sistema de control puede tomar solo 5 mW de potencia. Es necesario controlar un sistema con una velocidad de actualización de 1kHz. Tiene que haber algún tipo de mecanismo para detectar una condición defectuosa dentro del sistema controlado de manera muy oportuna, en el mejor de los casos en tiempo real (también 1 kHz).

Ahora el mecanismo de control se implementa en un microcontrolador que puede manejar esa tarea bastante bien dentro de estos límites de energía. El problema era detectar la condición defectuosa.

Para esta tarea entró el circuito analógico. El sistema se modeló como un circuito analógico y se aplicó la misma entrada al circuito que al sistema. Si la salida difiere en una cantidad demasiado grande, había algo mal en el sistema (o en el modelo durante las etapas de desarrollo).

Ahora calcular el modelo completo a una frecuencia de actualización de 1kHz no era posible para el microcontrolador en ese presupuesto de energía.

Hoy con el advenimiento de Cortex M4F, es posible que se acerque, son bastante impresionantes, pero dudo que sea posible exprimirlo todavía.

Puede que este no sea el modelo que el autor de la pregunta tenía en mente, pero sigue siendo una aplicación de un circuito analógico para modelar un sistema físico.

Las personas no usan mucho las computadoras analógicas porque no pueden hacer los cálculos matemáticos necesarios para la configuración y simulación de computadoras analógicas, créanme que hay muchas. Además, muchas personas no tienen las habilidades electrónicas necesarias para parchear los circuitos electrónicos.

Esto es muy triste porque creo que al no hacer algo parecido a la computación analógica en las escuelas / colegios / universidades no estamos obteniendo suficientes ingenieros / físicos de alto calibre. Es muy fácil, pero no propicia el aprendizaje 'real' de usar una PC. Por cierto, ningún profesor en el departamento de mi universidad (ingeniero de control) podía conectar un simple circuito analógico, ¡yo era el único!

Tengo una pequeña computadora analógica que uso con frecuencia solo para mantener mi mano; la uso para simular procesos químicos y plantas ... Intercambiadores de calor, CSTR, redes neuronales, etc. ¡Es muy divertido! También uso la placa de pruebas para conectar amplificadores operacionales adicionales, tapas y resistencias, también muy baratos y fáciles de conectar a los circuitos de computación analógica.

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