Аналоговые машины, разработанные в НИИСчетмаше

В. Г. Беляков

Первая в СССР электронная аналоговая вычислительная машина (АВМ) с повторением решения была разработана в 1946 г. коллективом под руководством Л. И. Гутенмахера. Однако толчком к развитию АВМ постоянного тока послужило создание в США в 1944 г. Б. Расселом решающего усилителя (РУ).

На основе такого решающего усилителя коллективы, возглавляемые В. Б. Ушаковым и В. А. Трапезниковым, в 1949 г. разработали ряд АВМ на постоянном токе, положив начало созданию в СССР аналоговой вычислительной техники (АВТ).

АВТ предназначалась в основном для моделирования в реальном масштабе времени линейных и нелинейных динамических систем, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями. Средства АВТ обеспечивали очень высокое быстродействие при сравнительно низкой стоимости, простое сопряжение с реальной аппаратурой, легкую перестройку от одной задачи к другой, удобное взаимодействие пользователя с машиной. Благодаря всему этому АВТ широко служили для математического и полунатурного моделирования ракет и ракетных комплексов, космических кораблей, самолетов, судов, энергетических установок и других объектов на всех этапах их создания. Кроме того, средства АВТ использовались для решения задач в медицине, биологии, химии и в других направлениях науки и техники.

В 1949–1950 гг. в НИИ-885 коллективом под руководством В. Б. Ушакова были созданы первые АВМ – ИПТ-1, ИПТ-2, ИПТ-3, ИПТ-4 и ИПТ-5, называемые интеграторами постоянного тока. Они предназначались для решения линейных дифференциальных уравнений с постоянными и переменными коэффициентами. Основными разработчиками были А. А. Фельдбаум, Л. Н. Фицнер, Г. М. Петров, Н. Б. Лакунин, Л. В. Медведев, И. М. Сущинский, С. И. Зубков, А. М. Барышников.

Интегратор ИПТ-5 и приставка нелинейных блоков (справа). Разработка 1952 г.

ИПТ-4 и ИПТ-5 выпускались серийно Пензенским заводом САМ, остальные были изготовлены в одном экземпляре.

В 1951 г. В. Б. Ушаков вместе со своим коллективом был переведен из НИИ-885 в СКБ-245, а в 1957 г. – в НИИСчетмаш.

Разработанные в 1952–1953 гг. под руководством В. Б. Ушакова АВМ получают наименование «моделирующие установки постоянного тока» (МПТ). Серийные АВМ МПТ-9 предназначались для решения линейных дифференциальных уравнений, МПТ-11 – для решения нелинейных дифференциальных уравнений. Основными разработчиками их были Г. М. Петров, А. И. Скачкова, А. М. Барышников, В. Д. Точилов.

С 1954 г. новые АВМ получают название «моделирующие установки нелинейные» (МН). В течение 1954–1959 гг. под руководством В. Б. Ушакова разрабатываются и осваиваются в серийном производстве следующие АВМ:

• 1954 г.: МН-2, секционная АВМ для решения дифференциальных уравнений 6-го порядка (Витенберг И. М., Быков В. Г.);
• 1955 г.: МН-7, настольная АВМ 6-го порядка (Петров Г. М., Скачкова А. И., Попов В. А., Точилов В. Д.);
• 1955 г.: МН-8, первая в СССР прецизионная АВМ большой мощности, 32-го порядка с большим количеством переменных коэффициентов и нелинейных решающих элементов (Петров Г. М., Медведев Л. В., Попов В. А., Добров Е. В., Москаленко Г. В.);
• 1959 г.: МН-11, АВМ 9-го порядка с автоматическим поиском решения по заданным критериям, с периодизацией до 100 Гц (руководители – Витенберг И. М., Ушаков В. Б., разработчики Ерохин Е. А., Беляков В. Г. Ламин Е. И.).

Настольная АВМ МН-7

В 50-е годы была разработана и запущена в серийное производство самая мощная и самая распространенная в военно-промышленном комплексе тех времен АВМ – «Электрон». Она была создана коллективом, работавшим в КБ-1.

Наряду с перечисленными выше АВМ общего назначения в пятидесятые годы появляются специализированные АВМ:

• 1950–1952 гг.: тренажеры «Р» и «Щ» (руководитель – Плотников Р. В., разработчики – Масленников В. М., Копай-Гора П. Н., Витенберг И. М.);
• 1956 г.: МН-4 и МН-5 для аэрогидродинамических исследований (руководитель – Витенберг И. М.);
• 1958 г.: МН-9 для моделирования часовых механизмов (руководитель – Витенберг И. М., разработчики – Ламин Е. И., Беляков В. Г., Козлова А. И.).

В 50-е годы в НИИСчетмаше также проектируются и запускаются в серийное производство необходимые для работы с АВМ приборы и устройства:

• 1949 г.: инфранизкочастотный анализатор ИНЧА (Ушаков В. Б., Хавкин Г. А., Медведев Л. В.);
• 1954 г.: электродинамический блок ЭДБ-1 (Копай-Гора П. Н., Фицнер Л. Н., Голован В. А.);
• 1955 г.: электронно-лучевые индикаторы И4 и И5 (Витенберг И. М., Ушаков В. Б., Соколов Е. Н.);
• 1959 г.: электронно-цифровой печатающий вольтметр ЭЦВП-2 (Витенберг И. М., Беляков В. Г.).

Разрабатываются приборы и для других отраслей народного хозяйства:

• 1958 г.: ВПРР для определения режимов резания в машиностроении (Ушаков В. Б., Копай-Гора П. Н., Фицнер Л. Н.);
• 1959 г.: анализатор электрокардиограмм АНЭК и синтезатор электрокардиограмм СИНЭК (Ушаков В. Б., Петров Г. М., Акулиничев И. Т., Москаленко Г. В., Скачкова А. И.).

МН-8 – первая в СССР прецизионная АВМ большой мощности

В 1957 г. разрабатывается первая в мире полупроводниковая АВМ общего назначения МН-10 – настольная, 6-го порядка со шкалой 25 В (Ушаков В. Б., Петров Г. М., Лакунин Н. Б., Попов В. А., Степин В. С., Григорьев Г. В.). Однако технический уровень полупроводниковых приборов еще длительное время не позволял производить ее серийно.

В 60-е годы продолжалось создание и производство ламповых АВМ первого поколения.

В 1960 г. была выпущена АВМ МН-14 – прецизионная АВМ 20-го порядка, а в 1963 г. – МН-17, близкая к ней по параметрам. Обе модели были разработаны Г. М. Петровым, Е. П. Басовым, В. А. Поповым, Г. Н. Сабаевым, Г. В. Москаленко, В. Д. Точиловым под руководством В. Б. Ушакова.

Продолжаются попытки создать полупроводниковую АВМ второго поколения, и в 1965 г. появляется опытный образец МН-18 – секционная АВМ 10-го порядка со шкалой 50 В. Модель под руководством Г. М. Петрова разработана Н. Б. Лакуниным, Т. Г. Розановой, А. С. Герасимовым, А. Г. Родионовым, В. И. Трошиным. Серийное производство МН-18, как и МН-10, откладывается на длительное время и до широкого круга пользователей она дошла только после модернизации под маркой МН-18 М.

В это же время в НИИСчетмаше проводятся работы по специализированным АВМ различного назначения. В 1960 г. выпускаются опытные образцы вычислительных устройств большой мощности для комплексных авиационных тренажеров – «Счет-16» и «Счет-19» (Витенберг И. М., Мотылева Е. С., Ламин Е. И., Беляков В. Г., Точилов В. Д.), закончена разработка АВМ МН-12, предназначенной для моделирования прокатных станов (Басов Е. П., Фельдбаум А. А., Копай-Гора П. Н., Лебедева И. М.). В 1961 г. увидела свет МН-13 для моделирования металлургических процессов (Ушаков В. Б., Витенберг И. М., Арховский В. Ф., Бучирина В. Г.).

На базе аппаратуры МН-14 в 1961 г. выпускается мощная АВМ 40-го порядка «Байкал»для моделирования в атомной энергетике (Ушаков В. Б., Петров Г. М., Москаленко Г. В., Попов В. А., Точилов В. Д., Утей Н. И.). В 1962 г. на той же базе разработана АВМ 40-го порядка «Катализ» для моделирования химических процессов (Ушаков В. Б., Басов Е. П., Гриня Я. И., Якунин А. С.). В 1962 г. был выпущен опытный образец МН-15 для моделирования крутильных колебаний (Витенберг И. М., Ефремов А. К., Журавлева З. И.).

В 1963 г. появилась МН-16, первая в СССР широкополосная АВМ, предназначенная для моделирования ракет и ракетных систем (Беляков В. Г., Витенберг И. М., Ачкасов И. Г., Майзель Г. А., Ламин Е. И., Ефремов А. К., Лебедева И. М.), и АВМ «Этилен» для управления производством этилена (Витенберг И. М., Семенова З. А., Лебедева И. М.)

В 1965 г. выпущены вычислительное устройство для авиационных тренажеров «Счет-22» (Витенберг И. М., Райков Л. Д.)и АВМ «Доза» для расчета дозных полей при лучевой терапии (Ушаков В. Б., Голован В. А., Козлова А. И., Шагиморданов Н. Ш., Родионов А. Г.).

В 1966 г. появилась АВМ «Полимер-2» для решения нелинейных смесевых задач (Витенберг И. М., Райков Л. Д., Журавлева З. И.).

В 1967–1968 гг. под руководством И. М. Витенберга разработан «Сеграф-1» для исследования сетевых графиков (Анисков В. В., Федин Н. И.) и «Трансграф-1» для моделирования транспортных задач (Ефремов А. К., Мусатов А. И.).

В 60-е годы начинается создание и выпуск аналого-цифровых вычислительных систем, состоящих из АВМ и ЦВМ, что обеспечивало существенное расширение алгоритмических возможностей систем и в ряде случаев более высокую точность решения задач. В 1963 г. изготовлен опытный образец АЦЭММ (Ушаков В. Б., Петров Г. М., Витенберг И. М., Москаленко Г. В., Беляков В. Г., Гриня Я. И., Точилов В. Д.), а в 1966 г. – АЦЭМС-1 (Петров Г. М., Москаленко Г. В., Лосев А. П., Шубин Ю. А., Ратников А. Н., Попов В. А., Точилов В. Д.).

Продолжается проектирование и производство необходимых для работы с АВМ приборов и устройств:

• 1964 г.: генератор шума ГШ-1 (Петров Г. М., Сабаев Г. Н.);
• 1962–1968 гг.: двухкоординатные регистрирующие приборы от ДРП-1 до ДРП-5 (Ушаков В. Б., Петров Г. М., Басов Е. П., Махин В. П., Чалых В. Г., Родионов А. Г. и др.);
• 1964 г.: электронно-лучевой индикатор И-10 ( Витенберг И. М., Степаева В. И., Бучирина В. Г.);
• 1963–1964 г.: секции блоков следящих систем СБСС-1 и СБСС-3 (Басов Е. П., Сторожкин Г. А.,Трошин В. И.);
• 1963–1969 гг.: устройства преобразования информации УП-1, УП-6, УП-7 и ряд АЦП И ЦАП (Петров Г. М., Сабаев Г. И., Лосев А. П., Шубин Ю. А., Ратников А. Н., Москаленко Г. В. и др.).

В 1961–1962 гг. для контроля производственных параметров были предложены и запущены в серийное производство аналого-цифровые устройства ЭЛРУ-2 и КВУ-2 (Копай-Гора П. Н., Збарский Г. И., Сторожкин Г. А., Голован В. А., Ломтева Е. А., Каныгин С. Б., Трошин В. И.).

Разработанные в 60-е годы АВМ общего назначения по точности и стабильности решения задач, быстродействию, надежности, возможности комплексирования в мощные аналоговые и аналого-цифровые вычислительные системы не удовлетворяли возросшие требования пользователей, которым все чаще был необходим количественный, а не качественный характер моделирования сложных динамических систем.

Во второй половине 60-х и в 70-х годах удалось коренным образом преодолеть недостатки прежних АВМ благодаря разработке аналоговых вычислительных комплексов первого, второго и третьего поколений: АВК-1, АВК-2 и АВК-3. Главным конструктором комплексов был к.т.н Беляков В. Г., основными разработчиками – Панафидин В. В., Комаров С. М., Мотылева Е. С., Сторожкин Г. А., Розанова В. П., Розанова Т. Г., Тимонин В. М., Полонников Д. Е., Попова С. Д., Дятлов Л. И., Гриня Л. И., Витенберг И. М., Точилов В. Д., Родионов А. Г., Трошин В. И., Богоутдинова С. М.

В АВК-1 (1965–1968 гг.) были использованы прецизионные ламповые операционные усилители (ОУ), расположенные вне решающих блоков. При конструировании АВК-1 предусматривалась возможность легкой замены ламповых усилителей на полупроводниковые. При появлении в конце 60-х годов надежных высоковольтных транзисторов с малыми токами утечки были разработаны прецизионные полупроводниковые ОУ со 100-вольтовой шкалой, которые были введены в АВК-1 вместо ламповых без снижения точности решающих блоков. Первые подобные модели – АВК-2 (1) и АВК-2 (2) – были освоены в серийном производстве в 1971–1972 гг. Затем были разработаны и выпущены более мощные модели – АВК-2 (3) и АВК-2 (5).

АВК-1 и АВК-2 представляли собой набор различных устройств и блоков, которые можно было объединять в секции. Каждая секция – пригодная для самостоятельного использования АВМ с переменным составом блоков и устройств. Органы управления каждой секции позволяли управлять не только всеми устройствами данной секции, но и устройствами других секций, включенных параллельно с ней.

АВМ, созданные из устройств комплекса, отличались от выпускаемых в то время отечественных АВМ «Электрон», МН-17М, МН-18М более высокой точностью и стабильностью. Эти параметры были увеличены в 5–15 раз по операциям интегрирования и суммирования, в 2–5 раз по операциям перемножения и нелинейного преобразования. АВМ АВК-2 по точности и стабильности соответствовали лучшим зарубежным АВМ EAJ-8800 (США), Hitachi-505 (Япония), Solartron-7 (Англия), хотя в цепях обратных связей решающих усилителей использовались отечественные конденсаторы и резисторы с погрешностями в 5–10 раз большими, чем у зарубежных АВМ.

Второй важной отличительной особенностью аппаратуры АВК-2 по сравнению с перечисленными выше отечественными и зарубежными АВМ явилось то, что она позволяла создавать АВМ переменного состава средней и большой мощности, которые можно было легко объединить для параллельной работы без каких-либо дополнительных устройств управления и легко разъединять на самостоятельные АВМ. Это обеспечило эффективность аппаратуры АВК-2 при решении задач различного объема. При этом аппаратура АВК-2 располагала более развитой системой управления и контроля, обеспечивающей возможность удобной работы на АВМ переменного состава.

Третья отличительная особенность – впервые в отечественной практике была решена проблема создания надежных съемных коммутационных полей, причем без использования золочения контактирующих элементов, принятого за рубежом.

Эквивалентное быстродействие моделей АВК-2 (2) и АВК-2 (3) составляет 25 млн. операций в секунду, а АВК-2 (5) – 125 млн. операций в секунду. Порядок решаемых уравнений моделей АВК-2 (2) и АВК-2 (3) – 16, а АВК-2 (5) – 80.

Во второй половине 70-х годов в НИИСчетмаше был разработан аналоговый вычислительный комплекс третьего поколения АВК-3 в составе трех моделей: АВК-31 (АВМ небольшой мощности), АВК-32 (АВМ средней мощности) и АВК-33 (АВМ большой мощности). Все модели имели 10-вольтовую шкалу, в них широко использовались интегральные микросхемы средней степени интеграции, что обеспечило сравнительно небольшую стоимость аппаратуры и ее высокую надежность.

АВК-31

АВК-31 по точности выполнения основных операций превосходила зарубежные и отечественные АВМ небольшой мощности. АВК-31 по точности операции интегрирования превосходила EAJ-180 и EAJ-1000 (США) в 5 раз, АВМ DORNIER-80 (ФРГ) в 7,5 раз, МН-10М (СССР) в 15 раз, а по точности операции перемножения EAJ-180 и DORNIER-80 – в 4 раза, EAJ-1000 – в 2 раза, МН-10М – в 6 раз.

Модель АВК-31 обладала высоким быстродействием. По полосе пропускания основных операционных блоков она соответствовала приведенным выше зарубежным АВМ и превосходила МН-10М, выпускаемую в то время серийно, в 100 раз. АВК-31 имела более высокие эксплуатационные характеристики благодаря возможности задания и проверки постоянных коэффициентов и правильности набора задачи без перекоммутации решающих цепей.

Эквивалентное быстродействие АВК-31 составило 100 млн. операций в секунду, порядок решаемых уравнений – 6.

Модели АВК-32 и АВК-33 по статической точности выполнения основных операций в температурном диапазоне 20±2°С соответствовали лучшим зарубежным АВМ данного класса: EAJ-2000 (США), DORNIER-960 (ФРГ) и HITACHI-200X (Япония), а при работе в температурном диапазоне 25±10°С существенно превосходили их.

По динамической точности выполнения операции интегрирования, суммирования и перемножения АВК-32 и АВК-33 превосходили указанные выше зарубежные АВМ. Кроме того, они отличались от лучших зарубежных и отечественных АВМ следующими характеристиками:

• возможностью работы в аналого-цифровых вычислительных системах без дополнительных устройств преобразования и связи, так как имели в своем составе блоки связи с каналами ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ, а также быстродействующие прецизионные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
• возможностью объединяться на параллельную работу для создания АВМ большой мощности без каких-либо дополнительных устройств управления;
• более развитой системой управления и контроля, обеспечивающей возможность работы на АВМ переменного состава;
• более развитой системой автоматизации ввода информации, обеспечивающей ввод всех постоянных коэффициентов, части нелинейных зависимостей и связей входов и выходов решающих блоков;
• надежными съемными коммутационными полями, выполненными без золочения контактирующих элементов.

Эквивалентное быстродействие АВК-32 составляло 320 млн. операций в секунду, а АВК-33 – 960 млн. операций в секунду. Порядок решаемых уравнений АВК-32 составлял 20, а АВК-33 – 60.

АВК-33

Для повышения точности выполнения операций интегрирования и суммирования в аппаратуре АВК-2 и АВК-3 были предложены новый способ контроля и настройки нулевых выходных напряжений решающих усилителей (а. с. 321821) и новая структура системы установки постоянных коэффициентов, обеспечивающая исключение статических погрешностей резисторов и конденсаторов цепей обратных связей решающих усилителей.

Повышение точности выполнения нелинейных операций и операций перемножения достигнуто за счет применения новых технических решений (а. с. 217741, 309371, 378876, 434420).

Новые решения по системе контроля (а. с. 298937) обеспечили эффективный контроль АВМ переменного состава любой мощности.

В семидесятые годы для исключения недостатков АВТ, связанных с ограниченными алгоритмическими возможностями, а также для автоматизации процесса подготовки и решения задач был создан ряд аналого-цифровых вычислительных систем (АЦВС) на базе ЭВМ Единой системы, СМ ЭВМ и аппаратуры АВК-2 и АВК-3. С их помощью решались в реальном масштабе времени задачи моделирования систем управления сложными аналоговыми объектами и сложными летательными комплексами, включающими операторов и элементы реальной аппаратуры.

АВК-2 и АВК-3 выпускались серийно Кишиневским заводом «Счетмаш». В 1974 г. модель АВК-2 (2) на осенней Лейпцигской ярмарке была награждена золотой медалью. В 1984 г. за создание АВК-2 и АВК-3 главному конструктору Белякову В. Г. и группе разработчиков – д.т.н. Витенбергу И. М., Комарову С. М., Панафидину В. В., д.т.н. Полонникову Д. Е., Розановой В. П., Сторожкину Г. А., Точилову В. Д., Трошину В. И. была присуждена Государственная премия СССР.

В 70-е годы продолжалась разработка в НИИСчетмаше специализированных АВМ различного назначения и аналого-цифровых вычислительных комплексов. В 1972 г. для решения линейных смесевых задач был выпущен опытный образец «МОЗ-1» (руководитель – д.т.н. Витенберг И. М., разработчики – Анисков В. В., Райков Л. Д., Семенова З. А., Корнеев В. П.).

В 1972–1974 гг. для моделирования полета самолета изготовлены АВМ «Полет 1» и «Полет 2» (д.т.н. Витенберг И. М., Ламин Е. И., Гостева И. А., Корнеев В. П.).

В 1970–1975 гг. для расчета дозных полей при лучевой терапии были разработаны АВМ «Расчет» и «Расчет 2» (Голован В. А., Шагиморданов Н. Ш., Румянцев Ю. М.).

В 1970–1974 гг. для исследования деятельности сердца созданы АВМ «Ритм» и «Ритм 2» (Ушаков В. Б., Козлова А. И., Ефремова Е. Ф., Трошин В. И.).

В 1975 г. был выпущен опытный образец АЦВК-2 (гл. конструктор – Петров Г. М., разработчики – Витенберг И. М., Ефремова Е. Ф., Точилов В. Д.).

В конце 70-х годов был предложен АЦВК-3 (Петров Г. М., Беляков В. Г., Витенберг И. М., Ефремова Е. Ф., Автономов В. А., Точилов В. Д.).

В 1980–1987 гг. были разработаны и освоены в серийном производстве аналого-цифровые вычислительные системы АЦВС-41, АЦВС-42, АЦВС-43 (под руководством В. Г. Белякова). Основные разработчики: Панафидин В. В., Комаров С. М., Бердяков Г. И., Михайлов Ю. Ф., Володина Г. Г., Сторожкин Г. А., Добрынина М. В., Громова Т. Б., Васильева Н. И., Тимонин В. М., Попова С. Д., Лезов А. П., Сааков А. И., Симченкова В. П., Ермоленко И. И., Точилов В. Д., Родионов А. Г., Богоутдинова С. М.

Эти АЦВС были построены на базе управляющих вычислительных комплексов СМ ЭВМ и аналоговых процессоров АП-41, совместимых с моделями ЕС ЭВМ.

В АЦВС-41 входил один процессор АП-41, в АЦВС-42 – два, в АЦВС-43 – четыре. АП-41 имел 10-вольтовую шкалу и был построен на микросхемах, имеющих значительно большую степень интеграции, чем АВК-3.

Основными отличительными особенностями АП-41 являлись:

• полностью автоматизированный ввод и вывод информации;
• возможность работы в режиме без разделения времени (РВ) и в режиме с РВ, в котором обеспечивалось учетверение всех выполняемых операций, кроме интегрирования, при снижении собственных частот решаемых задач до 20–50 Гц.

По точности и стабильности выполнения основных операций в температурном диапазоне 20±2°С АП-41соответствовал лучшему в то время аналоговому процессору АЦВС Hyshure-2000 американской фирмы EAI, а в температурном диапазоне 25±10°С – существенно превосходил его.

Эквивалентное быстродействие АП АЦВС-41 составляло 280 млн. операций в секунду, АЦВС-42 – 560, АЦВС-43 – 1120 млн. операций в секунду. Порядок решаемых АП уравнений составлял в АЦВС-41 – 18 в режиме без РВ и 24 в режиме с РВ, в АЦВС-42-соответственно 36 и 48 и в АЦВС-43 соответственно 72 и 96.

Программное обеспечение систем представляло собой комплекс системных, прикладных и тестовых программ, обеспечивающих:

• техническое функционирование системы;
• полную автоматизацию программирования системы с использованием языков высокого уровня;
• эффективное решение задач моделирования динамических систем в реальном времени, а также задач оптимизации и статистического анализа данных.

В состав программного обеспечения входили следующие основные программные средства:

• операционная система, обеспечивающая техническое функционирование всех систем АЦВС при подготовке и решении задач;
• диалоговая система автоматизации программирования аналого-цифровых задач;
• система автоматизации программирования АП;
• библиотека тестовых программ и контрольных задач.

Все основные новые решения АЦВС-41, 42 и 43 защищены восемью авторскими свидетельствами СССР.

АЦВС-41 и АЦВС-42 выпускались Кишиневским заводом «Счетмаш» с 1986 по 1989 гг. АЦВС-43 выпускалась тем же заводом с 1987 по1989 гг.