کتاب اصول کدنویسی و شبیه‌سازی با متلب برای مهندسی برق و رباتیک

کتاب متلب برای مهندسی برق و رباتیک

اصول کدنویسی و شبیه سازی با متلب برای مهندسی برق و رباتیک

هدف از تدوین کتاب متلب برای مهندسی برق و رباتیک معرفی و ارائه‌ی لیستی از مهمترین و پرکاربردترین توابع و دستورات متلب و البته مرتبط با رشته‌ی مهندسی برق و رباتیک بوده است. به طوریکه هر دو محیط کدنویسی و سیمولینک بصورت موازی در پیاده‌سازی مسائل استفاده شده است.

در تدوین چهارده فصل کتاب متلب برای مهندسی برق و رباتیک، تلاش شده است که با ارائه‌ی مثال‌های ساده، به فهم، تثبیت و پیاده‌سازی مسائل کمک شود. نویسندگان این اثر، تدوین کتابی که تمام توابع موجود در محیط سیمولینک و یا M-فایل را در یک جلد در برگیرد، ضروری احساس نمی‌کنند چرا که معتقدیم بهترین مرجع آموزش این توابع، اسناد موجود در Help خود متلب و متونی است که به زبان انگلیسی در این نرم‌افزار موجود است. از طرفی پرداختن به همه‌ی آن‌ها در کتاب متلب برای مهندسی برق و رباتیک باعث می‌شود ناگزیر شویم تعداد مثال‌ها و پروژه‌های کاربردی را کاهش دهیم.

بهترین راه یادگیری متلب چیست؟

سال‌ها تجربه در تدریس نرم‌افزار متلب به ما نشان داده است که بهترین راه یادگیری حرفه‌ای متلب، آن است که با پروژه و مثال‌های فراوان و متعدد، آموزش انجام گیرد و از حجم مطالب اضافی و صرفا تئوری محض تا حد امکان صرف نظر شود، چرا که دانشجویان به سادگی می‌توانند با تایپ نام دستور پس تایپ کلمه‌ی Help در محیط Command Window و یا راست کلیک کردن بر روی بلوک مورد نظر در محیط سیمولینک و انتخاب گزینه Help، حجم وسیعی از این اطلاعات را در اختیار داشته باشند. ولی استفاده از آن‌ها در مثال‌ها و پروژه‌های مرتبط با تحصیل دانشجویان است که ممکن است به راحتی در این متون یافت نشود و از این سو برایشان دردسرساز باشد.

در بسیاری از کتاب‌های موجود در بازار متاسفانه چه بسا چندین پاراگراف در مورد یک دستور توضیح داده شده، ولی هیچ مثال عملی و شهودی برای خواننده ارائه نشده است. توضیحاتی که عموما ترجمه‌ی چه بسا ناقصی از Help خود متلب است!. در این نوشتار تلاش می‌شود ضمن کاهش توضیحات فرار و اضافی، مستقیما به حل مسائل بپردازیم. با این استراتژی تلاش شده است که پنجره‌ای پیش سوی یک برنامه‌نویس و مهندس مبتکر بگشاییم که با نگرش و مطالعه در این قاب، قادر باشد با حداقل اطلاعات، حداکثر بهره‌وری را سبب شود.

استراتژی ما، یادگیری فنون و تکنیک‌های نرم‌افزار متلب از مثال‌ها و پروژه‌ها است. این تکنیک نه تنها به یادگیری سرعت و شتاب شگفت‌انگیزی می‌بخشد، بلکه باعث می‌شود دانشجویان با ابتکار و ذوق مهندسی، راه حل‌ها و فنون جدیدی را خود پیشنهاد دهند و گاهی اوقات خودشان مطالبی را کشف نموده و مطالب را به شیوه‌ای خودآموز فرا گیرند. بر ما ثابت شده است ماندگاری مطالب تمرین شده و فراگرفته شده در این تکنیک به مراتب بیشتر از روش‌های مرسوم است.

محتوای کتاب متلب مهندسی برق و رباتیک

کتاب متلب برای مهندسی برق و رباتیک در چهارده فصل و مطابق با سرفصل‌های زیر تدوین شده است:

 فصل اول :

عملیات آرایه‌ای و محاسباتی،

 فصل دوم :

تکنیک‌های ترسیم

فصل سوم :

شروط و حلقه‌های تکرار

فصل چهارم

اصول کدنویسی سیستم‌های کنترل مدرن و خطی

فصل پنجم 

محیط سیمولینک و مثال‌های ترکیبی

فصل ششم

ارتباط بین دو محیط سیمولینک و کدنویسی و ذخیره و بازیابی اطلاعات

فصل هفتم 

کنترل‌کننده‌ی PID

فصل هشتم 

ارائه‌ی مثال‌های ترکیبی کدنویسی و سیمولینک با حل موازی و مقایسه‌ای

 فصل نهم

شبیه‌سازی مدارات الکترونیکی

فصل دهم

اصول طراحی دیجیتال و مدار منطقی در سیمولینک

 فصل یازدهم 

اصول و پیاده‌سازی کنترل‌کننده بهینه

فصل دوازهم

اصول ایجاد مدل سیمولینکی به کمک کدنویسی

 فصل سیزدهم 

اصول تقریب مرتبه‌ اول و کاربرد آن در کدنویسی

فصل چهاردهم

با معادلات دینامیکی ربات دو لینکی و کنترل فضای مفصلی آشنا خواهید شد.

در این اثر سعی شده از تکنیک‌ها و روش‌های متعددی برای حل مساله‌ها استفاده شود. ضمن دقت و وسواس فراوان در انتخاب مثال‌های آموزشی، گاهی اوقات یک مثال از چند روش حل شده است تا امکان مقایسه و نقد نقاط قوت و ضعف هر روش برای خواننده اثر بیشتر تداعی شود. از طرفی ترتیب پیشبرد و ارائه‌ی مطالب در این نوشتار به گونه‌ای است که گام به گام، دانشجویان را با مطالب سطح بالاتر آشنا نماید.

نحوه مطالعه کتاب

بنابراین برای حصول حداکثر بهره‌وری و کاهش زمان یادگیری توصیه می‌کنیم که مطالعه‌ی این اثر با ترتیب ارائه‌ی مثال‌های پیشنهادی در هر فصل صورت پذیرد. در نگارش کتاب متلب برای مهندسی برق و رباتیک سعی شده است که طبقه‌بندی و انتخاب مثال‌ها و توضیحات لازم به گونه‌ای باشند که دانشجویان و خوانندگان عزیز، حضور در یک کلاس درس پر نشاط متلب را احساس کنند.

کلیه‌ی پروژه‌ها و کدنویسی‌ها در نسخه‌ی ۲۰۱۷b متلب پیاده‌سازی شده‌اند. در تدوین این نوشتار، سعی شده از توابع و دستوراتی که با توجه به تجربه‌ی خود، احتمال حذفشان از نسخ آینده‌ی این نرم‌افزار را می‌دادیم استفاده نکنیم و تکنیک‌های مفید و روشی مدوّن و یکپارچه برای حل مسائل ارائه دهیم. معتقدیم که چنانچه دانشجویان عزیز بر این تکنیک‌ها تسلط یابند، خواهند توانست از عهده‌ی پیاده‌سازی و شبیه‌سازی بسیاری از مسائل پیچیده‌ی مهندسی برآیند.

فهرست کتاب متلب برای مهندسی برق و رباتیک

پیشگفتار

فصل اول / ماتریس‌ها، آرایه‌ها و عملیات ریاضی

۱-۱-مقدمه

۱-۲-تعریف ماتریس‌

۱-۳-بدست آوردن ابعاد ماتریس

۱-۴-دسترسی به عناصر و زیر ماتریس‌های موجود در یک ماتریس

۱-۵-بدست آوردن دترمینان، معکوس و ترانهاده‌ی یک ماتریس

۱-۶-محاسبه‌ی دترمینان یک ماتریس

۱-۷-محاسبه معکوس یک ماتریس

۱-۸-محاسبه ترانهاده‌ی یک ماتریس

۱-۹-تعریف ماتریس با درایه‌های صفر و با ابعاد دلخواه

۱-۱۰-تعریف ماتریس با درایه‌های یک و با ابعاد دلخواه

۱-۱۱-تعریف ماتریس همانی

۱-۱۲-جمع و تفریق و ضرب ماتریس‌ها

۱-۱۳-محاسبه‌ی مقادیر ویژه‌ی ماتریس

۱-۱۴-آشنایی با دستور rand

۱-۱۵-آرایه‌های سلولی

۱-۱۶-تبدیل یک آرایه‌ی سلولی به یک ماتر

۱-۱۷-دسترسی به سلول‌های یک آرایه‌ی سلولی

۱-۱۸-انتگرال‌گیری و محاسبه‌ی مساحت محصور یک منحنی

۱-۱۹-مشتق گرفتن

۱-۲۰-محاسبه‌ی حد

۱-۲۱-حل معادله‌ی یک مجهولی

۱-۲۲-حل دستگاه n معادله و n مجهول

۱-۲۳-حل معادلات جبری

۱-۲۴-آشنایی با دستور find

۱-۲۵-آشنایی با دستور isequal

فصل دوم / آشنایی با تکنیک‌های ترسیم و نمودارهای دو و سه بعدی

۲-۱-مقدمه

۲-۲-آشنایی با دستور plot

۲-۳-برچسب زدن به محورها

۲-۴-شبکه‌بندی ترسیم

۲-۵-تعیین عنوان در شکل

۲-۶-تعیین رنگ و ضخامت ترسیم

۲-۷-معرفی جدول علایم اختصاری ترسیم

۲-۸-ترسیم توابع ریاضی

۲-۹-آشنایی با دستور inline

۲-۱۰-رسم نمودار برای توابعی که بصورت نمادین تعریف شده‌اند با دستezplot

۲-۱۱-آشنایی با دستور subplot در ترسیم

۲-۱۲-آشنایی با کارکترهای متنی

۲-۱۳-آشنایی با کارکترهای نشانه‌گذاری متن

۲-۱۴-آشنایی با امکانات دستور axis

۲-۱۵-رسم تابع چند ضابطه‌ای

۲-۱۶-نمودارها

۲-۱۷-نمودار میله‌ای دو بعدی و سه بعدی

۲-۱۸ترسیمات سه بعدی

فصل سوم / آشنایی با شروط و حلقه‌های تکرار

۳-۱-مقدمه

۳-۲-آشنایی با ساختار شرطی if

۳-۳-معرفی جدول عملگرهای مقایسه‌ای و منطقی

۳-۴-حلقه‌ی for

۳-۵-حلقه‌ی while

۳-۶-ساختار switch-case

فصل چهارم / معرفی دستورات کدنویسی سیستم‌های کنترل مدرن و خطی

۴-۱-مقدمه

۴-۲-تابع تبدیل

۴-۳-قطب‌ها و صفرهای تابع تبدیل

۴-۴-ترسیم مکان قطب‌ها و صفرهای یک تابع تبدیل در صفحه مخت

۴-۵-اتصالات سری، موازی و پسخورد توابع تبدیل

۴-۶-حذف عوامل مشترک در تابع تبدیل

۴-۷-محاسبه‌ی پاسخ پله‌ی سیستم

۴-۸-بدست آوردن نمایش فضای حالت سیستم از روی تابع تبدیل

۴-۹-بدست آوردن تابع تبدیل از روی مدل فضای حالت سیستم

۴-۱۰-طرح یک مثال از مباحث ارائه شده تاکنون

۴-۱۱-محاسبه‌ی صفرهای معادله‌ی مشخصه

۴-۱۲-تعریف معادله مشخصه‌ی سیستم با تابع poly

۴-۱۳-رسم مکان هندسی ریشه‌ها

۴-۱۴-آشنایی با دستور rlocfind

۴-۱۵-ترسیم نمودار بود

۴-۱۶-ترسیم نمودار نایکویست

۴-۱۷-محاسبه‌ی حد بهره، حد فاز، فرکانس قطع بهره و فرکانس قطع فاز
۴-۱۸-تبدیل Z

۴-۱۹-آشنایی با دستور c2d

فصل پنجم / آشنـایی بـا محیط سیمولینک و ارائه‌ی مثال‌های  ترکیبی حل‌شده به‌روش سیمولینک‌ وکدنویسی

۵-۱-مقدمه

۵-۲-آشنایی با محیط سیمولینک

۵-۳-وارد کردن بلوک به پنجره مدل

۵-۴-تنظیمات بلوک‌ها در پنجره مدل

۵-۵-انتقال و چرخش بلوک

۵-۶-اتصلات بین بلوک‌ها در پنجره مدل

۵-۷-آشنایی با برخی ابزارهای پنجره‌ی مدل

۵-۸-ذخیره کردن و تنظیم Current Folder

۵-۹-اجرای فایل در سیمولینک و مشاهده‌ی نتیجه

۵-۱۰-آشنایی با برخی تنظیمات برای پیکربندی مدل سیمولینک

۵-۱۱-آشنایی با انواع حلگرها در متلب

۵-۱۲-تمرین بیشتر برای کار با محیط سیمولینک

۵-۱۳-تعریف یک ماتریس و محاسبه ترانهاده‌ی آن

۵-۱۶-تعریف ماتریس صفر و یک در محیط سیمولینک

۵-۱۷-تولید ماتریس با توضیع تصادفی

۵-۱۸-حل معادله در محیط سیمولینک

۵-۱۹-استفاده از بلوک MATLAB Function

۵-۲۰-ساختار شرطی if در سیمولینک

۵-۲۱-حلقه‌ی تکرار for در سیمولینک

۵-۲۲-ساختار Switch-case در سیمولینک

۵-۲۳-تابع تبدیل و ترسیم پاسخ پله در سیمولینک

۵-۲۴-ترسیم پاسخ پله از مدل فضای حالت سیستم

فصل ششم / ارتباط بین دو محیط Workspace و Simulink و آشنـایـی بــا ذخیـره و بـازیـابـی اطلاعـات

۶-۱-مقدمه

۶-۲-آشنایی با بلوک To Workspace

۶-۳-آشنایی با بلوک From Worksapce

۶-۴-آشنایی با ذخیره و بازیابی کردن اطلاعات توسط متلب

فصل هفتم / کنترل‌کننده‌ی PID

۷-۱-مقدمه

۷-۲-اصول اساسی کنترل‌کننده‌ی PID (تناسبی-انتگرالی-مشتقی)
۷-۳-کنترل‌کننده‌ی PI

۷-۴-کنترل‌کننده‌ی PD

۷-۵-طراحی کنترل‌کننده‌ی PID از دو روش برای موتور جریان مستقیم

فصل هشتم / ارائـه‌ی مثـال‌هـای تـرکیبـی از  محیط سیمولینک و کدنویسی

۸-۱-مقدمه

۸-۲-ارائه‌ی مثال‌های ترکیبی

۸-۳-سیستم آونگ ساده

۸-۴-شبیه‌سازی به روش اول با استفاده از مدل فضای حالت سیستم

۸-۵-شبیه‌سازی به روش دوم با استفاده از دو بلوک MATLAB Function

۸-۶-شبیه‌سازی به روش سوم با استفاده از یک بلوک MATLAB Function

۸-۷-پاسخ به ورودی‌های مشخص در تابع شبکه

۸-۸-روش اول با استفاده از کدنویسی

۸-۹-روش دوم حل با استفاده از محیط سیمولینک

۸-۱۰-سیستم جرم-فنر و دمپر

۱-روش اول با استفاده از کد نویسی و اعمال کنترل کننده

۲-روش دوم با شبیه‌سازی در محیط سیمولینک

۳-روش سوم با شبیه‌سازی در محیط سیمولینک با استفاده از بلوک State-Space

۴-روش چهارم با شبیه‌سازی در محیط سیمولینک با استفاده از بلوک‌های MATLAB Function

کتاب متلب برای مهندسی برق و رباتیک

فصل نهم / آشنایی با شبیه‌سازی مدارهای الکترونیکی

۹-۱-مقدمه

۹-۲-شبیه‌سازی مدارات الکترونیکی با ارائه‌ی مثال‌های طبقه‌بندی شده

فصل دهم / اصول مرتبط با طراحی دیجیتال و مدار منطقی

۱۰-۱-مقدمه

۱۰-۲-مرور جدول گیت‌های منطقی

۱۰-۳-مثال‌ مقدماتی آشنایی با جدول گیت‌های منطقی

۱۰-۴-اصول تئوری مربوط به طراحی مدار شمارنده‌ی دو دویی ترتیبی با کلاک همزمان

۱۰-۵-تعریف فلیپ فلاپ

۱۰-۶-تعریف ثبات

۱۰-۷-تعریف شمارنده

۱۰-۸-طراحی مدار شمارنده

فصل یازدهم / آشنایی با کنترل‌کننده‌ی بهینه

۱۱-۱-مقدمه

۱۱-۲-طراحی کنترل‌کننده از نوع تنظیم‌کننده درجه دوم خطی (LQR)

۱۱-۳-مثال‌های مرتبط با طراحی کنترل‌کننده‌ی بهینه

فصل دوازدهم / ایجاد مدل در محیط سیمولینک به  کمک کدنویسی در محیط M-فایل

۱۲-۱-مقدمه

۱۲-۲-ایجاد یک مدل سیمولینکی با نام دلخواه

۱۲-۳-باز نمودن مدل سیمولینکی

۱۲-۴-اضافه نمودن بلوک‌ها و المان‌ها در مدل با قابلیت اختصاص نام هر یک

۱۲-۵-تنظیم پارامترهای بلوک‌ها و المان‌ها با قابلیت تنظیم موقعیت و دوران

۱۲-۶-اتصال بلوک‌ها به یکدیگر

۱۲-۷-ذخیره‌ی مدل

۱۲-۸-اجرای مدل

۱۲-۹-جمع‌بندی مباحث آموخته‌شده تاکنون در این فصل با مثال‌های طبقه‌بندی شده

فصل سیزدهم / تقریب مرتبه‌ی اول و کاربرد این تقریب در کدنویسی

۱۳-۱-مقدمه

۱۳-۲-تقریب مرتبه اول از مشتق با ارائه‌ی مثال‌های طبقه‌بندی شده از سری زمانی

فصل چهاردهم / بازوی ربات دولینکی و کنترل مفصلی

۱۴-۱-مقدمه

۱۴-۲-تعریف سینماتیک ربات

۱۴-۳-تعریف دینامیک ربات

۱۴-۴-معادله‌ی دینامیکی ربات

۱۴-۵-معرفی مکانیزم ربات دو لینکی و ارائه‌ی مثال کنترل فضای مفصلی باپیاده‌سازی به دو روش کدنویسی و سیمولینک

منابع و مآخذ کتاب متلب برای مهندسی برق و رباتیک