کاربرد متلب در مهندسی برق

کاربرد متلب در مهندسی برق:
آنچه امروزه می بینیم، دنیایی پیشرفته با دستگاه ها و روندهای پیچیده ای است که هر روز پیشرفته تر نیز می شوند.

یکی از ارکان و موتورهای محرک این پیشرفت مهندسان هستند که در زمینه های مختلف صنعت و دانشگاه مشغول کارند.

در این میان، مهندسان برق در حوزه ها و گرایش هایی از جمله قدرت، الکترونیک، کنترل، مخابرات و پردازش سیگنال از پیشروان ایجاد تغییرات در صنعت هستند.

همان طور که می دانیم، مهندسی چیزی جز طراحی و محاسبات نیست. دیهی است که طراحی ها و محاسبات امروزه چنان پیچیده و گاهی در مقیاس بزرگ هستند که استفاده از نرم افزارهای مهندسی برق برای مهندسان این رشته اجتناب ناپذیر است.

به عبارت بهتر، امروزه اگر یک مهندس برق با نرم افزارهای مهندسی برق در زمینه تخصص خود، چه دانشگاهی و چه صنعتی، آشنایی نداشته باشد، عملاً ورود او به بازار کار دشوار و حتی ناممکن خواهد بود.

بنابراین، آشنایی با نرم افزارهای مهندسی برق در زمینه های تخصصی یک الزام برای دانشجویان و فارغ التحصیلان این رشته است. یکی از این نرم افزارها متلب است که در گرایش های مورد استفاده مهندسان برق قرار می گیرد. در ادامه، کاربرد متلب در مهندسی برق را همراه با منابعی که برای یادگیری آن ها وجود دارد، معرفی خواهیم کرد.

واژه MATLAB از دو واژه انگلیسی MATRIX به معنای ماتریس و LABORATORY به معنای آزمایشگاه تشکیل شده است، زیرا در آن مبنای محاسبات ماتریس ها هستند.

متلب نرم افزار پیشرفته ای است و یک محیط ویژه کدنویسی دارد. این نرم افزار ابزارهای فراوانی دارد و الگوریتم های متعددی برای آن تعریف شده اند. این الگوریتم ها محاسبات مربوط به موضوعاتی مثل شیمی، فیزیک، محاسبات کامپیوتری، مهندسی برق و… را تسهیل می کنند.

تقریباً در همه رشته های مهندسی از این نرم افزار استفاده می شود، اما کاربرد متلب در مهندسی برق تا حدی بیشتر از سایر رشته هاست، زیرا مهندسان برق با محاسبات و شبیه سازی سر و کار زیادی دارند و متلب این موارد را تسهیل می کند.

ویژگی های نرم افزار متلب:
پیش از آنکه به کاربرد متلب در مهندسی برق بپردازیم، خوب است کمی بیشتر با خود این نرم افزار آشنا شویم. سازندگان متلب این برنامه را با هدف ساده کردن محاسبات عددی پیچیده و جبر خطی طراحی کردند. به همین دلیل، نرم افزاری ایجاد شد که بر مبنای عملیات های ماتریسی انجام این محاسبات را تسهیل کرده است.

محیط کدنویسی متلب به گونه ای است که در آن می توان خطاهای کدنویسی را بررسی کرد. به همین دلیل، کدنویسی در آن آسان تر خواهد بود و سرعت انجام پروژه ها و محاسبات بالا می رود و عیب یابی کدها راحت تر می شود.

یکی از نقاط قوت متلب این است که یک زبان برنامه نویسی سطح بالا است. به همین دلیل، درک و یادگیری دستورهای آن ساده خواهد بود و یادگیری آن آسان تر است.

محیط نرم افزار متلب به گونه ای است که می توان به راحتی به ابزارها و بخش های مختلف دسترسی داشت. این نرم افزار در حل مسائل ریاضیاتی پیچیده و جبری، تجزیه و تحلیل داده ها، حل توابع و مسائل آماری و مدلسازی بسیار کاربردی است و از توابع کارامد برای مدلسازی و تجسم داده ها در نمودارهای دوبعدی و سه بعدی استفاده می کند.

بخش های مختلف نرم افزار متلب:
نرم افزار متلب از چندین بخش مختلف تشکیل شده است. لازم به ذکر است که بخش های متلب از یکدیگر مجزا نیستند، بلکه با یکدیگر در ارتباط بوده و در کنار هم به هدف نهایی کاربر کمک می کنند. در ادامه، برای معرفی بهتر متلب، بخش های آن را به اختصار معرفی می کنیم:

محیط نرم افزار:
محیط نرم افزار متلب، بخشی است که در آن می توان به ابزارها، امکانات و جعبه ابزارها (تولباکس ها) دسترسی داشت. این محیط، بخشی از نرم افزار است که کاربران مستقیماً با آن در ارتباط هستند. ابزارهای متنوعی در محیط کاری نرم افزار متلب وجود دارد که با کمک آن ها می توان متغیرها را کنترل، ظاهر برنامه را سفارشی کرد و….

زبان کدنویسی:
یکی از مهم ترین اجزای نرم افزار متلب، زبان کدنویسی پیشرفته آن است. متلب از یک زبان کدنویسی سطح بالای ماتریسی - آرایه ای بهره می برد. یکی از مهم ترین ویژگی های زبان کدنویسی متلب، شی گرا بودن آن است. با کمک این ویژگی امکان کدنویسی برای پروژه های پیچیده در متلب فراهم شده است.

رابط نرم افزاری API:
با به کارگیری API متلب، می توان سی و فورترن را در تعامل با این نرم افزار نوشت. همچنین، با استفاده از رابط API امکان خواندن و نوشتن فایل های mat و به کارگیری متلب به عنوان موتور محاسباتی فراهم می شود.

کتابخانه توابع:
از سایر بخش های کاربردی متلب، کتابخانه توابع آن است. در این کتابخانه های توابع، الگوریتم های بسیاری قرار دارند که برای انجام انواع محاسبات مانند جبری، محاسبات مثلثاتی، ماتریس معکوس و… به کار می روند.

جعبه ابزارها یا تولباکس های متلب:
جعبه ابزارها یا همان تولباکس های متلب، از مهم ترین قابلیت های آن هستند. این جعبه ابزارها در مهندسی برق نیز بسیار کارامد هستند.

از جمله مهم ترین جعبه ابزارهای متلب که در مهندسی برق کارایی بالایی دارند، می توان به جعبه ابزار تنظیم پارامترهای کنترلر PID، جعبه ابزار طراحی کنترلر مقاوم، جعبه ابزار شبکه عصبی، جعبه ابزار بهینه سازی الگوریتم ژنتیک، جعبه ابزار پردازش سیگنال، جعبه ابزار پردازش تصویر، جعبه ابزار پردازش صوت، جعبه ابزار منطق فازی، جعبه ابزار حل معادله با مشتقات جزئی، جعبه ابزار عملیات بلادرنگ، جعبه ابزار موجک، جعبه ابزار تحلیل سیگنال، جعبه ابزار حل معادلات دارای مشتقات جزیی و… اشاره کرد.

متلب برای همه گرایش های مهندسی برق، امکانات اختصاصی و توابع ویژه ای دارد. به عنوان مثال، در گرایش قدرت می توان از متلب برای اجرای مسائل مربوط به برنامه ریزی و تنظیم سیستم های قدرت استفاده کرد. همچنین توابع و ابزارهای متلب در زمینه توسعه انتقال شبکه نیز کاربرد دارند.

از کارکردها و ابزارهای متلب برای مهندسی برق می توان یک فهرست طولانی ساخت. مهم ترین موارد از ابزارهای متلب برای مهندسی برق به شرح زیر هستند:

• امکان حل انواع معادلات خطی و غیرخطی، معادلات دیفرانسیل و دستگاه معادلات.
• امکان انجام عملیات های منطقی.
• توانایی رسم دقیق نمودارهای مختلف دوبعدی و سه بعدی در فرم های رایج (نمودارهای میله ای، ستونی، دایره ای و…).
• قابلیت تعریف انواع توابع.
• امکان برازش منحنی و نمودارها.
• وجود توابع کاربردی بسیار برای انجام انواع محاسبات.

کاربرد سیمولینک (Simulink) در مهندسی برق:
«سیمولینک» (Simulink) نرم افزار همراه GUI متلب است که برای شبیه سازی از آن استفاده می شود و در واقع، توسط زبان برنامه نویسی متلب طراحی شده است. بسیاری از مهندسان برق به این دلیل از سیمولینک استفاده می کنند که کار با آن بسیار ساده تر از متلب است.

می توان از متلب و سیمولینک با هم استفاده کرد. در این صورت، کاربر برنامه نویسی متنی و گرافیکی را برای طراحی سیستم خود در یک محیط شبیه سازی ترکیب می کند و در واقع از هزاران الگوریتم موجود در متلب استفاده می کند.

اگرچه سیمولینک یک نرم افزار عمومی برای پیاده سازی شبیه سازی گرافیکی است، اما جعبه ابزارهای ویژه ای برای شبیه سازی سیستم های مختلف دارد. جعبه ابزار سیستم های قدرت یکی از معروف ترین این جعبه ابزارها، جعبه ابزار سیستم های قدرت است که از آن برای شبیه سازی، تجزیه و تحلیل منابع انرژی تجدیدپذیر، خطوط انتقال، باس های الکتریکی، منبع تغذیه و… استفاده می شود.

کاربرد متلب در مهندسی کنترل:
شاید بتوان گفت متلب محبوب ترین و پراستفاده ترین نرم افزار از بین نرم افزارهای مهندسی برق در بین دانشجویان مهندسی برق است.

متلب در سال 1983 توسط شرکت «مت ورکس» (.Mathworks Inc) ارائه شد و یکی از اولین بسته های تجاری برای جبر خطی بود. این نرم افزار به مرور زمان تکامل یافت و به جامع ترین نرم افزار برای محاسبات عددی، شبیه سازی دینامیکی سیستم، راه حل های جبری، ریاضیات نمادین و غیره تبدیل شد. متلب شامل بسته های الحاقی (جعبه ابزارها یا همان تولباکس ها) برای کاربردهای مختلف است.

جعبه ابزار توابع داخلی را برای انجام محاسبات عددی شامل معادلات دیفرانسیل معمولی و جزئی، بهینه سازی، جبر خطی، طراحی سیستم کنترل، شناسایی سیستم و… ارائه می دهد.

گرایش کنترل از گرایش هایی در برق است که متلب کاربرد بسیار زیادی در آن دارد، زیرا شبیه سازی سیستم ها یکی از مراحل مهم در طراحی و تحلیل کنترل کننده های مختلف است.

کاربرد متلب در مهندسی الکترونیک:
مهندسان الکترونیک معمولاً با طراحی و تحلیل مدارها سر و کار دارند. با استفاده از متلب می توان این شبیه سازی ها را انجام داد. البته امروزه نرم افزارهای تخصصی تری برای این کار وجود دارد.

اگر پردازش سیگنال را یکی از شاخه ای الکترونیک بدانیم، کاربرد متلب در مهندسی برق گرایش الکترونیک به خصوص در پردازش سیگنال های صوتی، متنی، تصویری و… بسیار فراوان است.

کاربرد متلب در مهندسی قدرت:
قدرت از گرایش هایی از مهندسی برق است که نرم افزار متلب کاربرد فراوانی در آن دارد. در شاخه سیستم های قدرت، از نرم افزار متلب برای محاسباتی مانند پخش بار و بهینه سازی سیستم قدرت استفاده می شود. سیمولینک متلب نیز از پرکاربردترین نرم افزارها در مهندسی قدرت است.

عملکرد سیستم های قدرت و حفاظت آن ها، ماشین های الکتریکی و مبدل های الکترونیک قدرت در سیمولینک مالب شبیه سازی می شوند.

کاربرد متلب در مهندسی مخابرات:
نرم افزار متلب یکی از ملزومات اصلی در رشته مهندسی مخابرات محسوب می شود. این نرم افزار ابزارهای بسیار قدرتمندی برای شبیه سازی سیستم های مخابراتی در اختیار مهندسان قرار می دهد.