Calculateur analogique

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L'ELWAT, un calculateur analogique polonais fabriqué entre 1967 et 1969 ; les éléments visibles sont, de gauche à droite, un voltmètre, un téléscripteur, un oscilloscope et l'ordinateur à proprement parler.

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Principe[modifier | modifier le code]

Un calculateur analogique est une application particulière des méthodes analogiques qui consistent à remplacer l'étude d'un système physique donné par celle d'un autre système physique régi par les mêmes équations. Pour que cela présente un intérêt, le système "analogue " doit être facile à construire, les mesures aisées et moins couteuses que sur le système réel. Un calculateur analogique proprement dit est constitué d'un ensemble de modules interconnectés pour modéliser un problème à résoudre. Les connections sont assurées par un panneau de cablage amovible facilitant les changements de problèmes. Les résultats (mesure des tensions électriques représentant les différentes variables) sont le plus souvent enregistrées sous forme de courbes en fonction du temps. Ce concept contraste avec celui des calculateurs numériques, qui par nature travaillent uniquement sur des quantités discrètes, ne manipulent que sur des nombres et effectuent séquentiellement eurss calculs, alors que le calculateur analogique travaille sur des variables continues, toutes les opérations étant effectuées en parallèle. Les calculateurs analogiques, dévolus à la résolution des systèmes d'équation différentielles, sont aujourd'hui tombés en désuétude face à la puissance et à l'universalité des calculateurs numériques.

Historique[modifier | modifier le code]

Calculateur analogique électronique des Ets Boeing (1953), exposé au Musée d'Histoire et de l’Industrie de Seattle.

Sans remonter aux règles à calcul, les calculateurs analogiques ont été développés à partir des travaux d'un mathématicien anglais, Lord Kelvin, qui a inventé un marégraphe mécanique[1] dans les années 1870. D'autres systèmes furent mis au point entre les deux guerres mondiales : calculateurs de tir pour l'artillerie, analyseurs harmoniques pour l'ingénierie, cuves rhéographiques pour la mécanique des fluides, régulateurs industriels . À partir des années 1940 ont été développés et industrialisés de nombreux calculateurs analogiques électroniques. Plus tard des calculateurs à bain d'huile ont été inventés, la grandeur d'entrée étant le courant et la grandeur intégrée étant la température (ces calculateurs ont permis de définir les commandes de vol du Concorde par exemple). Des systèmes de régulation périphériques compensaient les pertes thermiques. Ainsi si nous substituons la variable vitesse V à la variable courant I et si nous substituons la variable distance D à la variable température T, nous pouvons « calculer » la distance en mesurant la température T d'un bain d'huile chauffé par un courant I proportionnel à V.

Les calculateurs analogiques électroniques "universels" se sont développés à partir des années 1950, essentiellement grâce à la mise au point de l'amplificateur opérationnel ( amplificateur dit "à courant continu" car sa bande passante n'a pas de limite inférieure) . Une tentative antérieure pour éviter la difficulté de réalisation de tels amplificateurs a été d'utiliser l'amplitude d'un signal porteur "haute fréquence" comme support d'information ( calculateur Analac du groupe CSF ). En France, le calculateur DJINN type 20 AS , (fabriqué par le laboratoire Derveaux) comportait une vingtaine d'amplificateurs opérationnels, il permettait de résoudre un système de quelques équations différentielles .( http://www.sudoc.fr/126082545 ).La société SEA fabriquait le OME P2 sensiblement équivalent. Les véritables calculateurs analogiques utilisables de façon industrielle sont venus du constructeur américain "Electronics Associates Inc." avec le 231R ( machines à tubes électroniques http://archive.computerhistory.org/resources/text/EAI/EAI.'231R') dont la précision atteignait 10-4 et permettait de résoudre un problème d'une trentaine d'équations différentielles et disposant d'un panneau d'interconnexion amovible permettant de passer rapidement (enfin presque) d'un problème à un autre. En 1965 le même constructeur sortait le calculateur 8800 qui outre sa capacité plus que doublée en nombre d'opérateurs et le remplacement des tubes électroniques par des transistors, permettait d'effectuer les calculs beaucoup plus rapidement, et surtout, avait la possibilité d 'être couplé avec un calculateur numérique, créant ainsi un calculateur hybride.(http://archive.computerhistory.org/resources/text/EAI/EAI.8800.1965.102646095.pdf).

Deux options étaient proposées par ce constructeur : un calculateur "16 bits" de puissance limitée dont le seul rôle était d'automatiser le calculateur analogique (réglage des coefficients, vérification des interconnexions entre opérateurs) ou bien un calculateur "temps réel" "32 bits" très rapide de sa propre fabrication prenant part aux calculs et échangeant des données en temps réel via des convertisseurs analogues-digitaux et digitaux-analogiques (calculateur numérique EAI 8400 ,l'ensemble hybride prenant la référence EAI 8900). Les ultimes perfectionnements des années 1970 ont consisté à remplacer les derniers composants électro-mécaniques par des composants électroniques( chopper des amplificateurs opérationnels, réglage des coefficients).

A partir de 1980 le développement fulgurant des calculateurs numériques, et en particulier de leur vitesse de calcul, leur a permis d'effectuer des calculs en temps réel, ce qui n'étaient accessibles auparavent qu' aux calculateurs analogiques, et de traiter des problèmes de plus en plus complexes, les calculs étant effectués séquentiellement, alors qu'un calculateur analogique effectuant toutes les opérations en parallèle était limité par la complexité des problèmes à traiter. A partir ce cette époque, l'intérêt des grands calculateurs analogique a disparu, et progressivement, le calcul analogique et hybride n'a subsisté que dans des circuits électroniques dédiés à des applications particulières : régulations , asservissements, ou en tant que liaisons facilement reconfigurables entre des équipements physiques et les processeurs numériques. Ce déclin a été accéléré par le développements des logiciels permettant de modéliser facilement les systèmes physiques tel que Matlab et dont un des ancêtres était le CSMP (Continuous System Modelling Program introduit par IBM) permettant de résoudre facilement un système d'équations différentielles.

Les domaines d'applications[modifier | modifier le code]

Les calculateurs analogiques sont très  biens adaptés à la résolution des systèmes d'équations d' équations différentielles ordinaires grâce à leurs  intégrateurs qui effectuent une vraie intégration en fonction du temps.  Bien qu'ils puissent traiter des problèmes où la variable indépendante ne soit pas le temps, Ils ont principalement  été très utilisés dans les deux  domaines  suivant:

  • Calculs d'études  des systèmes  pour lesquels  le comportement dynamique est essentiel: régulations des procédés industriels ( usines chimiques, centrales  nucléaires ou classiques), pilotage et guidage en aéronautique , astronautique ,  systèmes d'armes, études théoriques (stabilité des plasmas, chambres à bulles). Dans ce cas, le temps "calcul"  peut différer du temps  physique : souvent accéléré de façon à obtenir une grande productivité (plusieurs centaines de milliers d'atterrissage pour la certification des pilote automatiques de Concorde et Airbus), quelquefois ralenti pour observer confortablement et en détail le comportement de phénomènes rapides (trajectoires d'électrons).
  • Simulateurs en temps réel , dans lesquels sont intégrés des équipements physiques, et même un opérateur humain, comme par exemple dans les grands projets astronautiques.

Les fabricants de calculateurs analogiques[modifier | modifier le code]

Les grands centres de calcul analogique[modifier | modifier le code]

Les composants d'un calculateur analogique[modifier | modifier le code]

L'élément de base : l'amplificateur opérationnel[modifier | modifier le code]

Les opérateurs[modifier | modifier le code]

Les dispositifs de commande[modifier | modifier le code]

Le panneau d'interconnexion[modifier | modifier le code]

Les équipements annexes[modifier | modifier le code]

La mise en œuvre[modifier | modifier le code]

Comparaison[modifier | modifier le code]

Le calculateur analogique présente les avantages suivants :

  • facilité de mise en œuvre pour la résolution des systèmes d' équations différentielles.
  • vitesse de calcul très élevée
  • hyper stable puisque basé sur un phénomène physique ;
  • fournit des résultats continus et continûment.
  • facilité de connections avec des processus physiques externes

Le calculateur analogique présente les inconvénients suivants :

  • complexité des problèmes traitable absolument limitée par le nombre de ses opérateurs;
  • classe des problèmes traitable limité aux systèmes d'équations différentielles ordinaires
  • précision limitée par celle de ses composants : au mieux 10-4
  • manque de souplesse pour un calculateur universel ( temps pour changer de problème)

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Cet analyseur harmonique de Kelvin, ainsi que d'autres calculateurs mécaniques sont décrits dans Modern instruments and methods of calculation, éd. Bell & Sons, 1914, Édimbourg.

Annexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Danloux-Dumesnils, Maurice, "Le Calcul analogique par courants continus" , Paris : Dunod (impr. Jouve), 1963
  • Gleitz, Jean-Jacques, Le calcul analogique ,Paris : Presses universitaires de France, 1968
  • Dattée, François, Calcul analogique École supérieure d'électricité, 1969
  • Helein, Jean Calcul analogique et hybride, École supérieure d'électricité, 1969
  • J. Hugues et R.J. Pistenon , Calcul analogique , Paris : ENSTA, 1973
  • Annales de l'Association Internationale pour le Calcul Analogique (AICA) Collection 1958 Vol1 N°1 → 1975 Vol 17 N°4
  • Pierre Mounier-Kuhn, L'informatique en France, de la seconde guerre mondiale au Plan Calcul. L'émergence d'une science, Paris, PUPS, 2010. (ISBN 978-2-84050-654-6)

Articles connexes[modifier | modifier le code]