Computerhistorie: Analoog en hybride rekenen op het LEOK

 

Analoog en hybride rekenen

Achtergrond

Elektronische analoge computers waren populair in de periode van 1945 tot eind jaren ’80. Ze werden gebruikt voor het oplossen van differentiaalvergelijkingen en het uitvoeren van simulaties van fysische systemen. Veel simulaties waren regeltechnisch van aard. Belangrijke toepassingsgebieden waren natuurkundige, elektrische en chemische systemen en processen. Vooral bedrijven uit de luchtvaart- en defensie-industrie gebruikten de elektronische analoge rekenaars. Maar ook een bedrijf als de Nederlandse Gasunie kocht nog eind jaren 70 een (hybride) analoge computer. Bij hybride rekenen werden de koppelingen tussen de analoge rekenelementen en de instelwaarden door een digitale computer, bijvoorbeeld een DEC PDP of NOVA Eclipse, aangestuurd. Uiteindelijk is het analoge rekenen “uitgestorven” en vervangen door digitaal rekenen en simuleren. De redenen hiervoor waren het steeds goedkoper worden van digitale computers, de flexibiliteit van digitale computers en de beperkte nauwkeurigheid van analoge computers.

Analoog rekenen kan ook met mechanische en pneumatische systemen. Een zeer eenvoudig voorbeeld van een mechanische rekenhulp is de rekenliniaal. Daarop staan getallen aangegeven op logaritmische basis en door het optellen van logaritmen middels schuiven van de rekenlineaal kan het resultaat van een vermenigvuldiging worden afgelezen. Een ander voorbeeld vormen de vuurleidingen op de kruisers Hr.MS. Tromp en Hr.Ms. De Ruyter. Deze waren deels opgebouwd uit mechanische componenten zoals tandwielen en camoïdes (schijven met een omtrek die verliep volgens een bepaalde functie). We zullen het hieronder verder alleen hebben over elektronische analoge computers.

Het basiselement van analoge computers is de operationele versterker, afgekort tot OpAmp. Door ingangsignalen en teruggekoppelde uitgangsignalen toe te voegen via weerstanden, condensatoren en spoelen kunnen optellingen, vermenigvuldigingen en integraties worden gerealiseerd. De OpAmps en de passieve componenten worden met elkaar verbonden door snoertjes op een zogenaamd patchboard.
Bij het simuleren of uitrekenen van een wiskundige (differentiaal)vergelijking worden de wiskundige parameters weergegeven door een elektrische spanning. Het verloop van gesimuleerde functies werd zichtbaar gemaakt op een X-Y schrijver (verloop grootheid Y als functie van X) of op een meerkanaals papierrecorder (meer signalen als functie van tijd werden parallel zichtbaar gemaakt). Meer over analoge computers is te vinden op de website van het computermuseum van de Universiteit van Amsterdam (UvA).

Analoge computers op het LEOK

De eerste analoge computer op het LEOK is waarschijnlijk begin jaren zestig aangeschaft. Het was een exemplaar van Applied Dynamics met 64 operationele versterkers. Die waren nog met elektronicabuizen uitgevoerd. Wanneer de rekenaar gebruikt werd, dan produceerde deze behoorlijk wat warmte. Later, nog steeds in de jaren zestig werd het systeem uitgebreid met nog eens 32 operationele versterkers. Deze waren echter al met transistortechnologie uitgevoerd.
Rond 1978 werd de oude en niet erg stabiele analoge computer vervangen. De computer werd ‘om niet’ afgestaan aan de Koninklijke Militaire Academie (KMA) te Breda. Het systeem is daar nog enige tijd gebruikt voor lesdoeleinden en simulaties in de Technische Afdeling.

De nieuwe computer (1978) was een hybride systeem van Electronic Associates Incorporation (EAI) uit Princeton, New Jersey (US). Het was een hybride computercombinatie van een analoge rekenaar en een digitale computer. Het digitale deel van de installatie bestond uit een PDP-11 computer. De functie van de digitale computer was vooral het verzorgen van de numerieke instellingen (i.e. het instellen van potmeters) en het snel wijzigen daarvan bij herhaalde simulaties van een systeem met telkens andere begintoestanden of  parameters.
Twee LEOK-medewerkers volgden een cursus bij de fabrikant in New Jersey om het systeem te kunnen bedienen.

Bij de fusie van LEOK en Physisch Laboratorium in 1985 tot het TNO-FEL werd de hybride computer meeverhuist naar Den Haag. Het hybride systeem werd in die periode nog beperkt gebruikt voor de Verbetering MK37 torpedo- en het UDB-projecten. Bijna alle simulaties werden echter vanaf die tijd op digitale computers uitgevoerd. Na een aantal jaren (ca. 1992) werd het systeem afgevoerd.

Toepassingen van analoog rekenen

Binnen het defensiedomein zijn analoge computers veelal gebruikt voor toepassingen op luchtvaartgebied, zoals simulaties van raketsystemen (missiles). Enkele voorbeelden van het gebruik van de analoge computers op het LEOK waren:

• het simuleren van regeltechnische systemen,
• de simulatie van de missile-doel interactie (ook torpedo-doel interactie) en het bestuderen van diverse geleidingswetten,
• het berekenen van het spiegeleffect van volgradars in een dynamische situatie,
• het zichtbaar maken van berekende antennediagrammen,
• het tonen van de werking van een Elektronisch OorlogsVoering (EOV)-systeem.

Twee grote, kenmerkende projecten waren:

• het Seacat blindgeleidingsproject (op de eerste analoge computer);
• Verbetering MK37 torpedo (begonnen op de eerste analoge computer en voortgezet op de hybride computer).

Beide hieronder in meer detail beschreven projecten zijn voorbeelden van simulaties waarbij delen van het te onderzoeken defensiesysteem in de simulaties aangesloten werden op de computer in een closed loop simulation. De dynamische interacties van luchtdoel en missile (respectievelijk varend doel en torpedo) werden op de computer gesimuleerd en verbonden met een elektronisch deelsysteem van het missile resp. de torpedo. Het is juist deze mogelijkheid van het koppelen van simulatie en (deel-)systeem die het gebruik van analoge en hybride computers aantrekkelijk maakte.

Het M44 Seacat blindgeleidingsproject

In de jaren zestig werden naar Engels ontwerp (Leander-klasse) de Van Speyk-klasse fregatten voor de Marine gebouwd. De zes fregatten waren in operationele dienst van 1967 tot 1989. Daarna zijn de fregatten aan Indonesië verkocht. Als bewapening hadden ze onder meer een 4,5” kanon en twee Seacat-launchers met elk vier missiles voor de luchtverdediging tegen vijandelijke vliegtuigen. De Seacat surface-to-air raket was ontwikkeld door Short Brothers and Harland in Noord-Ierland. Bij iedere launcher hoorde een richttoestel met vuurleiding, de door Hollandse Signaalapparaten (HSA) gefabriceerde M44-vuurleiding.

Bij de oorspronkelijke Engelse versie van het Seacat wapensysteem was de rol van de bedienaar erg complex. De bedienaar van het richttoestel moest het richttoestel met zijn voeten draaien en tevens een kijker met zijn handen richten op het doel. Met het optisch systeem moest de afgevuurde Seacat in de radarbundel gebracht worden en moet daarna met het doel opgelijnd gehouden worden. De installatie stuurde dan radiosignalen om de Seacat bij te sturen in de richting van het doel. Dit bleek een erg moeilijke taak voor de bedienaars en vereiste veel training.

Daarom werd in 1964 het project “Seacat blindgeleiding met behulp van de M44 vuurleiding” gestart. Na een gunstig verlopen voorstudie in 1964 volgde een ontwerpstudie in 1965. De radar van de M44 kon namelijk zelfstandig een luchtdoel volgen. Daarom werd op het LEOK elektronica ontwikkeld om ook de Seacat automatisch te laten volgen door de M44 en de Seacat onderweg bij te sturen.
In 1966 en 1967 werd een realtime simulator ontwikkeld waarbij de analoge rekenaar het doel en de Seacat simuleerde. Ontwikkelde nieuwe elektronica kon op dit model worden aangesloten. De werking van de elektronica kon zo worden getest.
In 1968 is het prototype van de blindgeleiding beproefd op de Hr.Ms. Van Galen (F803) middels 12 “live firings”. Tussen 1969 en 1970 is het definitieve ontwerp gemaakt. Overdracht aan HSA voor productie en inbouw in hun M44 vuurleiding volgde. In 1973 volgde nogmaals een serie “live-firings” met de nieuwe M44 op de Hr.Ms. Van Galen (F803).
Deze ontwikkeling bleek een grote operatonele verbetering voor de Koninklijke Marine.

Verbetering MK37 torpedoproject

De Koninklijke Marine heeft rond 1970 nieuwe torpedo’s aangeschaft voor de vier 3-cylinder onderzeeboten en de twee Zwaardvisklasse onderzeeboten. De boten werden in een modernisatieprogramma ondermeer voorzien van een nieuwe vuurleiding (type Mk17) van Hollandse Signaalapparaten. Het hele systeem met sensoren, vuurleiding en wapens (zowel de oude Britse Mk 8 als de voor de Koninklijke Marine nieuwe Amerikaanse Mk37 mod 2 torpedo’s) werd in 1970 geëvalueerd waarbij het LEOK data verzamelde en analyseerde.

De Mk37 mod 2 was een torpedo die werd voortgestuwd door een elektromotor die energie betrok uit een grote batterij. Het voordeel van elektrisch aangedreven torpedo’s is dat ze relatief stil zijn. Het nadeel, in vergelijking met torpedo’s met een brandstofmotor, is dat de beschikbare energie beperkter is. Dat leidt tot een lagere snelheid en korter bereik. Daarom werd besloten een deel van deze torpedo’s om te bouwen tot de Mk37C door vervanging van batterij en elektromotor door een tank met brandstof en een verbrandingsmotor. Dat leverde een hogere snelheid en een groter bereik op. Het nadeel was echter een toename van het geproduceerde geluid door de motor (self-noise) en de hogere snelheid (flow-noise). Die geluidsbronnen leidden tot meer ruis in het akoestische systeem dat het doel moest detecteren en volgen.

De nieuwe torpedo werd in 1975 samen met de door Van der Heem ontwikkelde LWS-30 sonar door het LEOK geëvalueerd. Bij deze evaluatie bleek dat de Mk37C torpedo niet in alle gevallen goed functioneerde. Door de grotere ruis was het moeilijker om het doel, een vijandelijk bovenwaterschip of onderzeeboot, te detecteren. Vaak werd het doel dan ook verloren in de volgfase.
De Mk37 torpedo werd niet gebruikt door de US Navy, wel door de marines van Noorwegen en Canada. Voor onderzoek van de problemen kon dus niet worden terug gevallen op de US Navy. Wel werd er een samenwerking gestart met Noorwegen en Canada. Om de problemen te onderzoeken en om mogelijke oplossingen te vinden werd aan het LEOK een onderzoeksopdracht verleend. Het project omvatte een groot aantal activiteiten, waaronder:

• onderzoek aan de elektronica van de torpedo,
• het maken van theoretische berekeningen van de mogelijke prestaties van het akoestische systeem in actieve en passieve modus,
• deelnemen aan zeegaande beproevingen,
• analyse van schoten met oefentorpedo’s ondermeer door het uitlezen van de opgenomen gegevens van een 14-kanaals filmrecorder,
• inbouw van een versterker en een elektromagnetische bandrecorder in oefentorpedo’s voor het opnemen van de akoestische signalen,
• adviseren over de oefenprogramma’s,
• samen met vertegenwoordigers van de Koninklijke Marine overleggen met de fabrikant van de torpedo’s;dat was eerst Northrop, later Honeywell die het ontwikkelingsprogramma overnam.

Parallel aan het onderzoek op het LEOK, adviseerde het Physisch Laboratorium TNO (PhL) over de stromingsruis en ontwierp het een nieuwe neus voor de torpedo. Die ontwikkeling zorgde voor een drastische verlaging van de self-noise. Het onderzoek is na de fusie tot Fysisch en Elektronisch Laboratorium (FEL-TNO) gezamenlijk voortgezet.

Bij dit project werd veel gebruik gemaakt van de analoge, later hybride, computer. Op de computer werd de baan van het doel en de torpedo en in drie dimensies gesimuleerd. Uit de afstand tussen doel en torpedo en de richting van de torpedo ten opzichte van het doel werd de sterkte van het door de torpedo te ontvangen doelsignaal berekend inclusief de richtingsinformatie.

De torpedo was uitgerust met een transducer gesplitst in vier kwadranten. Hiermee kon de richting van het binnenkomende signaal in het horizontale en in het verticale vlak worden bepaald (vergelijkbaar met het monopuls-systeem bij volgradars). In de simulatie was de transducer niet meegenomen maar wel de signaalontvanger en de besturingselektronica. De berekende vier ingangssignalen werden via een apart ontwikkelde versterker omgezet naar signalen op de werkfrequentie van het sonarsysteem en aangeboden aan de echte signaalontvanger van de torpedo. Deze ontvanger produceerde dan de roercommando’s om de torpedo bij te sturen. De roercommando’s vormden de input voor het model op de analoge computer. Op deze manier was de terugkoppellus rond de ontvanger gesloten.

Door de simulaties werd een veel beter inzicht verkregen in de werking van het akoestisch systeem en de elektronica van de torpedo. Daardoor werd duidelijk waarom de torpedo in sommige situaties niet goed functioneerde. Voorgestelde verbeteringen aan de elektronica kon in de simulaties worden bestudeerd en daarna in de praktijk worden toegepast.

De voorstellen voor verbetering werden door de fabrikant, meestal na stevige discussies, overgenomen en toegepast. Dit leidde tot nieuwe versies, de Mk37D en later de Mk37E torpedo. Een kort artikel over de modernisering van de Mk37 torpedo is verschenen in de International Defense Review in 1983. Het artikel is gebaseerd op gegevens van Honeywell en het vermeld daarbij de rol van het LEOK.

Hybride computer bij TNO-IZF

Ook het TNO Instituut voor Zintuigfysiologie in Soesterberg gebruikte midden jaren ’70 ook een hybride computerinstallatie. Deze bestond uit een DEC PDP 15.40 met een kerngeheugen van 32K woorden van 18 bits in combinatie met een Hitachi-240 analoge computer. Het hybriede systeem werd gebruikt in de grote simulatoren voor:

1. Het doorrekenen van een mathematisch model van voertuigen of schepen. Acties van proefpersonen in een mockup worden daarbij toegevoerd aan een stelsel bewegingsvergelijkingen die het gedrag van voertuig of schip beschrijven in termen van translaties en roraties. Met name voor voertuigen werd de hybride computer gebruikt; scheepsbewegingen zijn trager en konden toen al digitaal berekend worden. 
2. Het doorrekenen van regelalgoritmes voor de sturing van servomotoren (x, y, z (hoogte) en kleine rotatie om de vertikale as).
3. Het bewaken van het hele systeem.
4. Het berekenen en doorgeven van informatie aan de proefpersonen in de mockup via aanwijsinstrumenten of andere componenten.
5. Het verzamelen van data van het experiment voor latere off-line verwerking.

 
Terug Volgende
 

Verantwoording

Deze pagina is gebaseerd op tekst van dhr. G. Willemsen en “Een simulator voor tvan scheepvaart en wegverkeer”, J. Godhelp, P.G.J. Blaauw, A.v.d. Horst, in: Project, 75-9, 1975.