2006-1-V MIDAS: SIMULERINGSLABORATORIUM for studenter ved Institutt for reguleringsteknikk av Odd Pettersen Museumsskrift utarbeidet som gjengivelse av dokument skrevet i april 1962 Institutt for teknisk kybernetikk Norges teknisk naturvitenskapelige universitet mars 2006
I tiden før den digitale datateknikken ble brukbar hadde vi betydelig nytte av en analog regnemaskin -teknikk. Disse analogmaskinene var spesielt velegnet til simulering av dynamiske systemer, og dermed var de naturligvis et uvurderlig hjelpemiddel for reguleringsteknikken: Til å vise hvordan dynamiske systemer ville oppføre seg før de ble realisert fysisk, til studering av dynamiske systemer, verifisering og illustrering av matematiske modeller av dynamiske systemer, og til undervisning i reguleringsteknikk, bare for å nevne noen av motivene. Noe av det første Jens G. Balchen begynte med da han etablerte Reguleringsteknisk laboratorium ved Norges tekniske høgskole i begynnelsen av 1950-årene var å starte utvikling og bygging av en analogmaskin som ble gitt navnet DIANA 1. Balchen så dette som svært viktig, nettopp fordi analogmaskiner var et så uunnværlig hjelpemiddel i reguleringsteknikken. På den tid var analogmaskiner i bruk ved en del store forskningsinstitusjoner, spesielt i USA, noen universiteter men spesielt ved flyindustri, og ved romforskning da dette kom i gang noen år senere. Analogmaskiner var imidlertid svært kostbare, så eneste mulighet for å skaffe en slik for vårt miljø var å bygge den selv. I begynnelsen av 1960-årene hadde DIANA vært i bruk i flere år, og teknikken hadde vist sin berettigelse. DIANA var imidlertid ikke egnet til masse-undervisning, idet omprogrammering var så omfattende og tids/arbeids-krevende at den var og ble et instrument for forskning og doktorgradsarbeid. Virksomheten som startet som Reguleringsteknisk laboratorium hadde nå vokst til Institutt for reguleringsteknikk 2, og bortimot 100 studenter fulgte grunnkurset Reguleringsteknikk. Vi fant det svært ønskelig å kunne ta i bruk den analoge simuleringsteknikken for alle disse, og siden de økonomiske mulighetene for å kjøpe slike maskiner var omtrent like fraværende som de var ti år tidligere, var vi nødt til å gjenta metoden, dvs. bygge maskinene selv. Forfatteren 3 var på den tiden ansatt i en midlertidig vit.ass.-stilling ved instituttet og hadde hatt ansvaret for drift samt videreutvikling av DIANA siden sommeren 1960. Det var derfor naturlig at jeg fikk oppgaven med å realisere de nye maskinene, som ble kalt MIDAS, som forkortelse for MIniatyr Differensial-AnalySator. Med dette navnet understreket vi også at disse maskinene var en miniatyrutgave i forhold til den fullvoksne DIANA. Dette skrift er en gjengivelse av et manuskript jeg skrev i april 1962, for et foredrag jeg holdt ved SAMS, Skandinavisk Analog-Maskin Selskap. Foredraget var ledsaget av lysbilder, dvs. dias fotografert ved labben. Disse bildene er nå behandlet digitalt (scannet mv.) og inkludert i teksten. Jeg har valgt å ikke endre noe i den opprinnelige teksten, bortsett fra noen få ubetydelige skrivefeil. Der jeg har sett behov for kommentarer i nåtid, er dette satt inn som fotnoter. I slutten av dokumentet har jeg laget et etterskrift hvor jeg utdyper hendelser rundt MIDAS etter april 1962. Bildene i denne del er nye, i likhet med teksten. 1. DIANA: DIfferensial-ANAlysator 2. Igjen omdøpt ca. 1970 til sitt nåværende navn Institutt for teknisk kybernetikk 3. Forfatteren har nå i skrivende stund en professor emeritus -status ved Institutt for teknisk kybernetikk. Denne privilegerte situasjon gjør meg i stand til å arbeide med saker av historisk interesse ved instituttet. II
SIMULERINGSLABORATORIET FOR STUDENTER VED INSTITUTT FOR REGULERINGSTEKNIKK Ved Institutt for Reguleringsteknikk, NTH, besluttet vi sommeren 1961 å utvide laboratorie-utrustningen for student-øvelser med 8 små analogregnemaskiner. I tillegg til målinger på fysikalske systemer, får nå alle studenter, som tar faget Reguleringsteknikk, kjøre en serie øvelser, med stigende vanskelighetsgrad, på en av disse maskiner. I denne forbindelse vil jeg gjerne nevne at det også ved vårt institutt i årenes løp er arbeidet en god del på området analogimaskiner, selv om vi ikke, meg bekjent, har vært representert på noe SAMS-møte tidligere. Det startet i sin tid med bygging av vår maskin DIANA, for ca. 10 år siden 1, og som i de senere år har vært i stadig bruk. DIANA var den første analogiregnemaskin i Norge. Vårt program for tiden fremover går i retning av online regulering med siffermaskin på prosesser, i første rekke simulert ved analogmaskin. Vi har derfor behov for å lære opp folk både i siffer- og analogteknikk og har også hatt den baktanken at vi med 8 slike små analogmaskiner faktisk har et ganske stort oppbud av operajonsforsterkere etc., slik at vi enkelt kan kople disse sammen og simulere ganske store prosesser. Nøyaktigheten er det ikke så stort krav til i denne sammenheng, idet vi likevel ikke kan anta å kjenne den aktuelle prosessen så godt at nøyaktigheten blir noe problem. Økonomiske forhold gjorde at vi måtte utvikle og bygge maskinene selv, og utvikling ble satt i gang av en maskin under navnet MIDAS = MIniatyr Differensial AnalySator. Det må understrekes at vi på ingen måte anser bygging av en analogmaskin som et aktuelt forskningsobjekt. Bilde 1: Simuleringslaboratoriet 1. Påbegynt mars 1953 og var i sin første utgave ferdig kjørbar sommer 1954 1
Et av hovedkravene var lav pris, men det var også viktig å gjøre maskinen så fleksibel som mulig i oppbyggingen, bl.a. slik at ulineære enheter av forskjellige typer kunne anskaffes senere etter behov. Videre var det meget viktig at betjeningen ble enkel, slik at bare en kort innføring var nødvendig for å kunne kjøre maskinene. Øvingsoppgavene skal jo først og fremst lære studentene reguleringsteknikk; analogmaskinen er bare et hjelpemiddel i denne sammenheng. Maskinene var ferdig til bruk i begynnelsen av mars i år 1 og er siden den tid benyttet daglig, slik at vi nå nettopp har avsluttet en serie på 3 oppgaver for 90 studenter som har arbeidet i grupper på 2 mann 2. Denne måneden har vist at tiltaket er blitt en suksess og har vist maskinens muligheter. Denne form for laboratorieøvinger later til å være meget populær blant studentene. Bilde 2: Studenter i arbeid med simuleringsoppgave Når det gjelder utviklingen av den nye maskinen, kan det nevnes at det for ca. 3 år siden ved vårt institutt ble bygget en liten maskin som bordmodell under navnet TASS. Til en viss grad kan MIDAS oppfattes som en videreføring av denne. MIDAS er imidlertid langt mere fleksibel og enklere i anvendelse. MIDAS er basert på innpluggbare enheter, hver med sin egen lille frontplate med bøssinger etc.. Det totale programpanel utgjøres således utelukkende av frontplatene i de enkelte enheter. I hver maskin er det plass til 30 enheter av en standard dimensjon. Maskinens lineære del er basert på følgende 3 innpluggbare enheter som alle er doble: 1. mars 1962 2. mann : det var få eller ingen kvinnelige studenter på den tiden, så uttrykket var alminnelig. 2
Forsterkerenhet Integratorenhet Potensiometerenhet Integratorenhetene inneholder integrasjonskondensator (1 μf), IC 1 -rele samt 2 ICmotstander (0,1 MΩ). En integrator fåes ved sammenkopling av en forsterker og en integratorenhet. Derved er det pr. maskin plass til følgende utrustning som anses som en normal: 20 forsterkere, hvorav 10 integratorer. 20 potensiometere 5 enheter av spesielle typer Disse siste kan eksempelvis være manuelle kippvendere, reléer samt diverse ulineære enheter. Hittil er ingen ulineære enheter bygget, men en av de store fordeler med plug-in - systemet er jo at maskinen kan utbygges med slike spesielle enheter etter hvert som tiden tillater det, programpanelet er ikke fastlåst til noen bestemt kombinasjon av typer enheter. Videre er hver maskin forsynt med et kontroll-panel som inneholder: Funksjonsknapper for valg mellom posisjonene: Bal. & Pot.set, IC, Compute Dreiespoleinstrument for manuell balansering av forsterkere, kompensasjonsinnstilling av regnepotensiometere, samt utlesning av spenninger på forsterkerutganger, potensiometere o.l. Videre finnes her 2 dreievendere for tilkopling av instrumentet til de forskjellige målepunkter, 1 10-tørns Helipot, samt 20 små glimlamper for indikering av overstyring av hver av forsterkerne. Kontrollpanelet gjør det mulig å måle spenning på samtlige forsterkerutganger og potensiometere uten å foreta noen koplinger i programmet. Dette panelet har samme høyde som de øvrige enheter, men er 5 ganger så bredt som disse. Foreløpig er kontrollpanelet plassert i øverste halvdel av maskinens kabinett, men det er tenkt på en alternativ plassering som jeg skal forklare senere. Med den nåværende plassering er det således plass til 25 regneenheter. For vårt bruk med 8 maskiner fast plassert i ett rom, fant vi det tilstrekkelig å bygge en sentral kraftforsyningsenhet for alle maskiner. Den leverer positiv og negativ høyspenning, referanse for regnespenninger, reléspenninger etc.. 1. IC = Initial Condition, Begynnelsesverdi for integrasjonen, vanlig forkortelse i sin tid. 3
Bilde 3: MIDAS s sentrale kraftforsyningsenhet Glødespenning til forsterkerne blir levert separat fra en liten enhet som er plassert ved siden av hver maskin. Denne innholder også brytere for de forskjellige spenninger fra kraftforsyningsenheten. Bilde 4: En MIDAS-maskin med regnekomponenter, uten program oppkoplet 4
Bilde 5: En MIDAS-maskin med kraft-kontrollenhet (Av-På kraft etc.) Bilde 6: En MIDAS-maskin med oppkoplet program Hvis det skulle bli aktuelt å lage separat kraftforsyningsenhet for en eller flere maskiner, vil denne bli bygget som en liten enhet til å plassere som en sokkel under maskinen. Den vil da selvsagt også inneholde glødetrafo og nødvendige brytere for spenningene. Frontplaten for denne enheten vil bli skrå, og her blir da kontrollpanelet plassert slik at de 5 plasser øverst til venstre i kabinettet blir frigjort for eventuelle ulineære enheter. Så vil jeg kort omtale de forskjellige enheter: 5
Forsterkeren ble valgt bygget på basis av rør, idet en transistorforsterker ville blitt minst 4 ganger så dyr. Bilde 7: Dobbel operasjonsforsterker Vi måtte gjøre et kompromiss mellom plass og ønsket om høy egenforsterkning og ble stående ved et skjema med 2 dobbeltrør pr. forsterker, altså 4 rør pr. forsterkerenhet. Automatisk balansering ville blitt alt for kostbart, så det måtte sløyfes. Egenforsterkningen er ca. 1000 ganger, det viste seg vanskelig å komme høyere uten å innføre positiv tilbakekopling slik det f.eks.er gjort i en forsterker laget av Philbrick. Positiv tilbakekopling ville ha øket driften og ble derfor ikke funnet hensiktsmessig. Inngangen er differensialkoplet for å holde driften så lav som mulig, her er benyttet et ECC83. Deretter følger pentodedelen av et ECF80 etterfulgt av slutt-trinnet som er triodedelen av ECF80 koplet som katodefølger. Skjemaet er for øvrig stort sett det samme som i maskinen TASS 1. Driften holder seg stort sett under 5 mv over lang tid etter at forsterkeren er godt oppvarmet. Balanseringspotensiometeret er ført ut gjennom frontplaten og kan etter behag betjenes med hånden eller en skrutrekker. Hver forsterker inneholder et lite relé som i posisjonen Bal. & pot-set motstandstilbakekopler forsterkeren med forsterkning 10 ganger. På frontplaten er plassert 4 inngangs- og 4 utgangs-bøssinger, innbyrdes multiplert. I posisjonen Bal. & pot-set er inngangsbøssingene jordet over reléet, slik at potensiometerene blir korrigert for belastningen når de innstilles ved hjelp av kompensasjon. 1. TASS er omtalt foran, side 2 6
Om Integratorenhetene er det ikke stort mer å si, vi ser en slik på bildet til venstre: Bilde 8: MIDAS regneenheter, alle doble: Fra venstre: Integrator, Operasjonsforsterker, Potensiometerenhet Potensiometerenhetene inneholder 2 små 1-tørns trådviklede potensiometere av en billig type samt en trykkvender for hvert potensiometer. Det ene pot.meter har bunnen jordet, mens det andre svever. Frontplaten har bøssinger for topp og glider, samt bunn for det svevende pot.meters vedkommende. Dessuten bøssinger for +50 V og -50 V referansespenninger samt jord. Ved inntrykking av trykkvenderen blir pot.meterets topp frakoplet topp -bøssingen og tilkoplet +50 V ref.. Gliderne er over kontakt i enhetens bakkant tilført venderne på kontrollpanelet slik at pot.meteret kan innstilles ved hjelp av kompensasjon uten noen omkopling i programmet. Det svevende pot.meter må riktignok jordes under denne innstilling, men det er jo relativt sjelden at et pot.meter benyttes svevende. Potensiometerne har en oppløsning av ca. 0,1% og kan ved kompensasjonsinnstilling innstilles med en nøyaktighet av ca. 0,25%. Som det fremgår av bildene, er det i alle disse 3 enheter benyttet trykte kretser. De er alle laget i stort antall, så dette har sterkt forenklet fremstilling av enhetene. På grunn av plug-in -systemet var det unødvendig å lage tilstrekkelig antall enheter til å gjøre alle 8 maskiner komplette, for vi kan vanskelig tenke oss at det innen overskuelig fremtid vil bli behov for 20 forsterkere i hver maskin på samme tid. Enhetene plasseres i de forskjellige maskiner etter behovet til enhver tid. Hittil er laget: 60 Forsterkerenheter (120 forsterkere) 60 Potensiometerenheter (120 pot.metere) 20 Integratorenheter (kretser for 40 integratorer) Bøssingene på frontpanelet sett under ett er plassert etter et system som tillater en viss bruk av kortslutningsplugger, f.eks. for jording av svevende pot.meter og for tilkopling av referansespenning til pot.meter topp. 7
Integrasjonskondensatoren er tilkoplet integratorkretsen for øvrig over en kortslutningsplugg mellom 2 bøssinger, slik at en utvendig kondensator av vilkårlig verdi kan benyttes om det er ønskelig. Regnemotstandene er utvendige og finnes i 2 utførelser: Proppmotstand og 2-benet motstand. De sistnevnte skal benyttes som tilbakekoplingsmotstander og kan stikkes direkte inn mellom en forsterkers inn- og utgangsbøssinger. De støpes i plast men er ikke laget ennå. Proppmotstandene er også støpt i plast og har et stikkben i den ene enden og en bøssing i den andre. I begge typer er anvendt 1% kullskikt-motstander. Motstandene finnes i et antall forskjellige verdier som indikeres ved at plasten er tilsatt forskjellig farve. Det finnes også et lite antall av mere spesielle verdier i klar plast hvor motstandsverdien direkte kan sees påstemplet selve motstanden. Videre har vi laget et lite antall diodepropper, i samme utførelse som proppmotstandene, også i klar plast. De inneholder en silisium diode som tåler 200 V i sperreretningen. Programledninger har vi også laget selv. Alle bananstikkere på markedet som for øvrig kunne passe var for store i forhold til plassen på programpanelet. Bilde 9: Koblingsledninger, koplingsplugger, motstander 0,1 (rød) og 1 Mohm (blå), dioder. Når det gjelder skrivere, kan jeg fortelle at til laboratoriekjøringen den siste måneden skrapte vi sammen skrivere i tilstrekkelig antall, men av alle mulige kategorier: dårlige og gode penn-oscillografer og ditto XY-skrivere. Det var helt tydelig et behov for en ensartet type skrivere for alle maskiner, det er jo ganske upraktisk å hver dag måtte instruere hver enkelt gruppe på 2 mann i bruken av den aktuelle skriver. Et annet moment er, spesielt ved et eventuelt fremtidig salgsprodukt, at det virker noe bakvendt å være kommet frem til en regnemaskin til en pris av et fåtall tusen kroner, og så for utlesningen være henvist til å benytte en skriver som koster 3-4 ganger så meget. 8
Vi har derfor planer klare for utvikling av en type XY-skrivere til en pris av ca. 2.000,- kroner. Denne er på ingen måte noe revolusjonerende, tvert i mot er det firt en del på krav til både statisk og dynamisk nøyaktighet. Det eneste av interesse ved denne er som nevnt: prisen. Denne skriveren regner vi med å ha laget 8 stk. av innen begynnelsen av høstsemesteret i år. N.T.H., 3. april 1962 Odd Pettersen 9
Etterskrift, mars 2006 Etter at hoveddelen av dette dokumentet ble skrevet, april 1962, ble maskinutrustningen komplettert med følgende: Én separat kraftforsyningsenhet forhåndsomtalt på side 5. Den ble realisert i november 1962, inneholder fullstendig kraftforsyning og er ellers utformet slik den var planlagt: Den daglige bruken viste at noe av utstyret slett ikke var studentsikkert : Spesielt potensiometerenhetene. Det hendte ofte at pot.meter-utgangene (glider, slepe-kontaktfjæren ) feilaktig ble jordet, og når man så skrudde opp potensiometerstillingen, gikk det for stor strøm, og pot.meterviklingen brant over. Vi modifiserte kretskortet og satte inn en liten sikring med holder, men sikringer for tilstrekkelig liten strøm (10 ma) var kostbare, så dette ga liten gevinst. Løsningen ble en liten glødelampe. Motstanden i den har sterk positiv temperaturkarakteristikk, slik at i normal bruk (strøm mindre enn 1 ma) er den ekstra motstanden ubetydelig, men ved kortslutning vil strømmen holde seg innenfor hva pot.meteret tåler. De tobente regnemotstandene, omtalt på side 8, ble laget etter kort tid: Alle de eksterne regnekomponentene ble laget av instituttets eminente tusenkunstner, mekaniker Egil Eklo. Han uteksperimenterte en støpemetode for klar epoxyplast som kunne tilsettes fargestoff etter behov. 10
Som omtalt side 8 var det et sterkt behov for en egnet skriver, og en slik ble utviklet og bygget en tid etter at maskinene var ferdig. Ansvarlig for dette prosjektet var daværende vit.ass. Magne Haram. MIDAS-maskinene ble brukt regelmessig til laboratorieoppgaver utover i 60-årene. I organisert og regelmessig form opphørte bruken etter omlegging av underviste fag en gang på midten av 1970-tallet. På grunn av stor mangel på lagringsplass ved instituttet ble ved slutten av 1980-årene de fleste MIDAS-maskinene samt den sentrale kraftforsyningen slaktet. Kun én maskin med regneenheter, den separate kraftforsyningsenheten samt én skriver ble beholdt, som fremtidige museumsgjenstander. Det må til slutt nevnes at også andre, utenfor Institutt for reguleringsteknikk, fattet interesse for denne analogmaskinkonstruksjonen. Vår nabo innen Elektroteknisk avdeling ved NTH, Institutt for elkraftteknikk, fikk underlagsmateriale og bygget en modifisert og noe forbedret utgave som de kalte MIDAS-2. 11