نرم افزار متلب (MATLAB) و کاربردهای مختلف آن شامل طیف وسیعی از کاربردها، در رشته های فنی و مهندسی (مهندسی مکانیک ، مهندسی مواد و متالوژی ، مهندسی برق و الکترونیک و… ) ، سلامتی و پزشکی ، کامپیوتر و اینترنت و… دارد. در واقع متلب یک زبان با کارایی بالا برای محاسبات فنی است. محاسبات، تجسم و برنامه نویسی را در محیطی با کاربری آسان که در آن مسائل و راه حل‌ها با نمادهای ریاضی آشنا بیان می‌شوند، ادغام می‌کند.
Matrix Laboratory یا به اختصار MATLAB یک محیط محاسباتی عددی چند پارادایم و زبان برنامه نویسی اختصاصی است که توسط Mathworks توسعه یافته است. این محاسبات، تجسم، و برنامه نویسی را در یک محیط به راحتی قابل استفاده ترکیب می‌کند و همه در معادلات ریاضی بیان میشود. نوشته شده به زبان‌های C، C++ و جاوا، Matlab ابتدا در سال 1984 منتشر شد.
کاربردهای معمولی نرم افزار متلب (MATLAB) عبارتند از:
- ریاضی و محاسبات
- توسعه الگوریتم
- مدل سازی، شبیه‌سازی و نمونه سازی
- تجزیه و تحلیل داده‌ها، کاوش و تجسم
- گرافیک علمی و مهندسی
- توسعه برنامه، از جمله ساخت رابط کاربری گرافیکی
متلب دارای طیف گسترده‌ای از کاربردها است و در تعدادی از صنایع پوشش می‌دهند و استفاده میکنند. از جمله این صنایعی که می توان از نرم افزار متلب در آن استفاده کرد، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد که عبارتند از:
- خودرو
- علوم بیولوژیکی
- بیوتکنولوژی و داروسازی
- مواد شیمیایی و پتروشیمی
- ارتباطات
- الکترونیک
- زمین، اقیانوس و علوم جوی
- تولید انرژی
- خدمات مالی
- اتوماسیون صنعتی و ماشین آلات
- تجهیزات پزشکی
- فلزات یا مواد
- مواد و معدن
- علوم اعصاب
- سیستمهای راه آهن
- نیمه هادی‌ها
- نرم افزار و اینترنت
- و…
تاریخچه نرم افزار متلب
کلیو مولر استاد دانشگاه نیو مکزیکو، در اواخر دهه ۱۹۷۰ متلب را توسعه داد. در سال ۱۹۸۳ جک لیتل با مولر آشنا شد و شروع به همکاری کرد تا در سال ۱۹۸۴ متلب را به صورت دو نفره منتشر کرده و شرکت متورکس را در ایالت ماساچوست آمریکا تاسیس کردند.
مهندسی کنترل از سال 2000 به استفاده از کتابخانه پیشرفته آن کردند و در سایر حوزه‌ها مثل جبر خطی، تحلیل عددی و پردازش تصویر پیشرفت کرد.
متلب از MATrix و LABoratory به ترتیب به معنای ماتریس و آزمایشگاه تشکیل شده است. نرم افزار متلب به عنوان یک زبان برنامه نویسی برای انجام محاسبات عددی استفاده میشود.
از سال 2020، متلب بیش از 4 میلیون کاربر در سراسر جهان در زمینه‌های مختلف مهندسی، علم و اقتصاد و… دارد.
تمام داده‌ها در این نرم افزار به شکل ماتریس ذخیره می‌شوند.
مثلا
- عدد به شکل ماتریس ۱ ×۱ ذخیره میشود.
- تصویر به عنوان یک ماتریس سه بعدی ذخیره میشود. بعد اول و دوم برای تعیین مختصات نقاط بوده و بعد سوم آن برای تعیین رنگ.
- فایلهای صوتی به شکل ماتریس‌‌های یا بردارهای ستونی ذخیره می‌شوند.
نرم افزار متلب برای چیست و چرا به وجود آمد؟
نرم افزار متلب چیست (نرم افزار matlab چیست)
MATLAB یک سیستم تعاملی است که عنصر داده اصلی آن آرایه‌ای است که نیازی به ابعاد ندارد. این به شما این امکان را میدهد که بسیاری از مسائل محاسباتی فنی را حل کنید، به ویژه آنهایی که دارای فرمول‌های ماتریسی و‌برداری هستند، در کسری از زمانی که برای نوشتن یک برنامه در یک زبان غیر تعاملی اسکالر مانند C یا Fortran نیاز است.
نام متلب مخفف ماتریس آزمایشگاه (matrix laboratory) است. MATLAB در اصل برای فراهم کردن دسترسی آسان به نرم افزارهای ماتریسی توسعه یافته توسط پروژه‌های LINPACK و EISPACK نوشته شده بود که در مجموع نشان‌دهنده پیشرفته‌ترین نرم افزار برای محاسبات ماتریس است.
متلب در طی سالیان متمادی با ورودی بسیاری از کاربران تکامل یافته است. در محیط‌های دانشگاهی، ابزار آموزشی استاندارد برای دوره‌های مقدماتی و پیشرفته در ریاضیات، مهندسی و علوم مختلف است. در صنعت، متلب ابزار انتخابی برای تحقیق، توسعه و تحلیل با بهره وری بالا می‌باشد.
MATLAB دارای خانواده‌ای از راه حل‌های کاربردی خاص به نام جعبه ابزار است. برای اکثر کاربران MATLAB بسیار مهم است، جعبه ابزار به شما اجازه میدهد تا فناوری تخصصی را یاد بگیرید و به کار ببرید. جعبه ابزار مجموعه‌ای جامع از توابع متلب (M-file) هستند که محیط متلب را برای حل کلاس‌های خاصی از مسائل گسترش می‌دهند. حوزه‌هایی که جعبه ابزار در دسترس هستند شامل پردازش سیگنال، سیستمهای کنترل، شبکه‌های عصبی، منطق فازی، موجک‌ها، شبیه‌سازی و بسیاری موارد دیگر است.
بخش‌های مختلف متلب
سیستم متلب شامل پنج بخش اصلی است:
زبان در نرم افزار متلب
این یک زبان ماتریس/آرایه سطح بالا با دستورات جریان کنترل، توابع، ساختارهای داده، ورودی/خروجی و ویژگی‌های برنامه نویسی شی گرا است.
یعنی هم به برنامه نویسی در سطح کوچک اجازه میدهد تا به سرعت برنامه‌های خود را ایجاد کند و هم به برنامه نویسی در سطح بزرگ اجازه میدهد تا برنامه‌های کاربردی کامل و پیچیده را ایجاد کند.
محیط کاربری متلب
محیط کاربری متلب شامل مجموعه ابزارها و امکاناتی است که شما به عنوان کاربر یا برنامه نویس متلب با آن کار می‌کنید. این محیط کاربری، شامل امکاناتی برای مدیریت متغیرها در فضای کاری شما و وارد کردن و صادر کردن داده‌ها است. همچنین شامل ابزارهایی برای توسعه، مدیریت، اشکال زدایی و نمایه‌سازی M-filesهای برنامه‌های MATLAB است.
گرافیک در نرم افزار متلب (Handle Graphics)
این سیستم گرافیکی متلب است که شامل دستورات سطح بالا برای تجسم داده‌های دو بعدی و سه بعدی، پردازش تصویر، انیمیشن و گرافیک استفاده می‌شوند. همچنین شامل دستورات سطح پایین است که به شما امکان میدهد ظاهر گرافیکی را به طور کامل شخصی‌سازی کنید و همچنین رابط کاربری گرافیکی کاملی را بر روی برنامه‌های MATLAB خود بسازید.
کتابخانه تابع ریاضی متلب
کتابخانه تابع ریاضی متلب شامل مجموعه گسترده‌ای از الگوریتمهای محاسباتی است که از توابع ابتدایی مانند جمع، سینوس، کسینوس و محاسبات پیچیده تا توابع پیچیده‌تر مانند معکوس ماتریس، مقادیر ویژه ماتریس، توابع بسل و تبدیل فوریه سریع را شامل میشود.
رابط برنامه کاربردی متلب (API)
رابط برنامه کاربردی متلب (API)، کتابخانه‌ای است که به شما امکان میدهد برنامه‌های C و Fortran بنویسید که با متلب تعامل دارند. این شامل امکاناتی برای فراخوانی روال‌ها از MATLAB (پیوند پویا یا dynamic linking)، فراخوانی MATLAB به عنوان یک موتور محاسباتی و خواندن و نوشتن فایلهای MAT است.
کاربردهای نرم افزار متلب
سیستمهای تعبیه شده یا نهفته (Embedded Systems)
یک کاربرد نرم افزار متلب در سیستم تعبیه نهفته است. سیستمهای تعبیه شده یا نهفته سیستمهای کامپیوتری متشکل از قطعات سخت افزاری و نرم افزاری هستند و برای انجام یک کار خاص طراحی شده‌اند. برخی از نمونه‌های سیستمهای تعبیه‌شده عبارتند از: ماشین‌های لباسشویی، چاپگرها، خودروها، دوربین‌ها، ماشین‌های صنعتی و غیره. متلب با فشار دادن یک دکمه به ما امکان میدهد کد تولید کرده و آن را روی سخت‌افزار اجرا کنیم.
سیستمهای کنترلی (Control systems)
یکی دیگر از رایج‌ترین دلایل اهمیت استفاده از Matlab این است که کنترل دستگاه و سیستم را فراهم می‌کند. یک سیستم کنترلی مسئول مدیریت، دادن دستورات و تنظیم رفتار سایر دستگاه‌ها یا سیستمها است. این بر اساس حلقه‌های کنترل است. دستگاه‌ها یا سیستمهای تحت کنترل می‌توانند از بخاری‌های خانگی ساده تا سیستمهای کنترل صنعتی بزرگ که فرآیندها یا ماشین‌ها را کنترل میکنند، متغیر باشند. جعبه ابزار سیستم کنترل Matlab الگوریتم‌ها و برنامه‌هایی را برای تجزیه و تحلیل سیستماتیک، طراحی و تنظیم سیستمهای کنترل خطی ارائه میدهد.
پردازش سیگنال‌های دیجیتال (Digital signal processing)
پردازش سیگنال دیجیتال استفاده از پردازش دیجیتال مانند کامپیوترها یا پردازشگرهای سیگنال دیجیتال تخصصی برای انجام طیف وسیعی از عملیات پردازش سیگنال است. استفاده از محصولات Matlab استفاده از تکنیک‌های پردازش سیگنال را برای تجزیه و تحلیل داده‌های سری زمانی آسان می‌کند.
ارتباطات بی‌سیم (Wireless communications)
ارتباطات بی‌سیم یک اصطلاح گسترده است که برای اتصال دو دستگاه با استفاده از سیگنال بدون سیم یا بی‌سیم استفاده میشود. تیم‌های مهندسی برای سیستمهای بی‌سیم از Matlab استفاده میکنند و زمان توسعه را کاهش می‌دهند، مشکلات طراحی را زودتر برطرف میکنند و آزمایش و تاییدهای لازمه را ساده تی میکنند.
پردازش تصویر و بینایی کامپیوتری (Image processing and computer vision)
پردازش تصویر عمدتا بر پردازش تصاویر خام و آماده ساختن آنها برای کارهای دیگری مانند بینایی رایانه متمرکز است. از طرف دیگر بینایی کامپیوتری به تصاویر مانند چشم انسان نگاه می‌کند. این شامل درک و پیش بینی خروجی بصری است. الگوریتم‌سازی برای پردازش تصویر و بینایی کامپیوتری حیاتی است. Uses of Matlab یک محیط جامع برای تجزیه و تحلیل تصاویر و ساخت الگوریتم‌ها فراهم می‌کند.
اینترنت اشیاء (Internet of Things)
اینترنت اشیا شبکه‌ای از دستگاه‌ها، وسایل نقلیه و لوازم خانگی و سایر موارد تعبیه شده با الکترونیک، نرم افزار، حسگرها، محرک‌ها و اتصالات است که امکان تبادل داده‌ها را فراهم می‌کند. استفاده از Matlab در طراحی، نمونه اولیه و استقرار برنامه‌های کاربردی IOT مانند نگهداری، پیش بینی، بهینه‌سازی عملیات، کنترل نظارتی و غیره کمک می‌کند.
مکاترونیک (Mechatronics)
مکاترونیک فناوری ترکیبی از الکترونیک و مهندسی مکانیک است. سیستمهای مکاترونیک نیازمند یکپارچهسازی زیرسیستم‌های نرم‌افزاری مکانیکی، الکتریکی، کنترلی و … هستند. استفاده از Matlab به شما این امکان را میدهد که همه اینها را در یک محیط واحد طراحی و شبیه‌سازی کنید.
تست و اندازه‌گیری (Test and Measurement)
تست و اندازه‌گیری فرآیندی است که در آن محصولات الکترونیکی تحت طیف وسیعی از آزمایش‌ها قرار می‌گیرند که از آزمایش‌های فیزیکی شروع میشود تا هر گونه نقص فیزیکی تا تست عملکردی سطح محصول شناسایی شود. Matlab ابزارهایی را ارائه میدهد که برای به دست آوردن و خودکارسازی وظایف به آنها نیاز دارید. پس از به دست آوردن داده‌ها، می‌توانید آنها را کاوش کرده با تجسم زنده، تجزیه و تحلیل داده‌ها را انجام دهید.
زیست‌شناسی محاسباتی و امور مالی محاسباتی (Computational Biology and Computational finance)
زیست‌شناسی محاسباتی، مطالعه داده‌های بیولوژیکی برای درک بهتر سیستمها و روابط بیولوژیکی است. امور مالی محاسباتی از سوی دیگر مطالعه علوم کامپیوتر داده‌های مالی و مدل‌سازی مالی را در بر می‌گیرد. Matlab با حل معادلات دیفرانسیل معمولی که رفتار بیولوژیکی را مدل می‌کند و به این شکل کمک می‌کند. همچنین، مجموعه مالی محاسباتی Matlab، شما را قادر می‌سازد تا برنامه‌های کمی برای مدیریت ریسک، مدیریت سرمایه گذاری، بیمه و اقتصاد سنجی توسعه دهید.
رباتیک (Robotics)
رباتیک یک رشته میان رشته‌ای از علم و مهندسی است. این شامل مهندسی مکانیک، مهندسی الکترونیک، و علوم کامپیوتر است که می‌توان به چند مورد برای ایجاد ربات‌ها یا ماشین‌های شبیه انسان اشاره کرد. محققان و مهندسان رباتیک از MATLAB برای طراحی و تنظیم الگوریتم‌ها، مدل‌سازی سیستمهای دنیای واقعی و تولید خودکار کد از یک محیط نرم‌افزاری استفاده میکنند.
تجزیه و تحلیل داده‌ها (Data Analytics)
تجزیه و تحلیل داده‌ها فرآیند مطالعه داده‌ها به منظور دستیابی به بینشی عمیق است. مهندسین و افراد IT از Matlab برای ساختن سیستمهای تجزیه و تحلیل داده‌های بزرگ استفاده میکنند.
تعمیرات قابل پیش بینی (Predictive Maintenance)
تکنیک‌های تعمیر و نگهداری پیش بینی شده برای تعیین وضعیت تجهیزات داخلی طراحی شده‌اند تا بتوانیم بفهمیم که چه زمانی باید تعمیر و نگهداری انجام شود. جعبه ابزار نگهداری پیشگویانه Matlab ابزارهایی را برای برچسب زدن داده‌ها، طراحی شاخص‌های وضعیت و تخمین عمر مفید باقیمانده (RUL) یک ماشین فراهم می‌کند.
مثل انواع استراتژی‌های نگهداری توربین‌های بادی برای خرابی‌های توربین بادی که می‌توانید با کلیک روی توربین بادی آنها را بخوانید.
موتور و کنترل قدرت (Motor and power control)
الگوریتمهای کنترل موتور، سرعت و سایر ویژگی‌های عملکردی را تنظیم میکنند. الگوریتمهای Matlab به بهره وری انرژی، کنترل دقیق و حفاظت از سیستم کمک میکنند. زمان و هزینه توسعه الگوریتم را قبل از اینکه متعهد به آزمایش سخت افزار گران قیمت شوید، کاهش میدهد.
یکی از قطعاتی که طبق این الگوها و الگوریتم ها کار می کنند ایسیو در خودروها هستند که می توانید با کلیک روی ایسیو خودرو چیست و انواع آن مقاله مربوطه را به صورت کامل مطالعه کنید.
یادگیری عمیق (Deep Learning)
یادگیری عمیق خانواده وسیع‌تری از یادگیری ماشینی است. استفاده از Matlab به گونه‌ای است که تنها با چند خط کدنویسی ساده می‌توان بدون نیاز به متخصص بودن، مدل‌های یادگیری عمیق ساخت.
مثال‌های بیشتر عملی در مورد کاربردهای نرم افزار متلب
سیستمهای رانندگی خودکار را با متلب طراحی، شبیه‌سازی و تست کنید.
مثلا با طراحی سیستم‌‌هایی برای درک، برنامه ریزی و کنترل رانندگی خودکار این امکان را به مهندسان برای به دست آوردن بینشی دقیق در مورد رفتار دنیای واقعی میدهد که این مورد می‌تواند به کاهش آزمایش‌های واقعی تخریب خودرو و هزینه‌های اضافی کم کند.
اجزای ماشین را با کلیک روی ان می‌توانید مطالعه کنید.
پردازش تصویر و کالیبراسیون دوربین با متلب
پردازش تصویر را برای توسعه الگوریتم‌ها و طراحی سیستمها با کمک تصاویر و ویدئوها به دست آورده، پردازش و تجزیه و تحلیل کنید. با استفاده از OpenCV، Python و C/C++ و APIهای آنها و ابزارها یکپارچهسازی کنید.
به عنوان مثال
از برنامه‌های متلب برای کالیبراسیون دوربین، برچسب گذاری تصویر و ویدئو و تقسیم‌بندی تصویر استفاده کنید
در مثالی دیگر
می توان با برنامه Volume Viewer داده‌های حجمی سه بعدی را به صورت حجم یا برش‌های صفحه مشاهده کنید.
یا فیلمی را که می‌خواهید پخش کنید انتخاب کنید، نرخ فریم نمایشگر را تغییر دهید و…
طراحی و شبیه‌سازی شبکه‌های الکتریکی و سیستمهای حمل و نقل را طراحی و تجزیه و تحلیل کنید.
مثلا طراحی سیستم خودروهای الکتریکی و تجزیه و تحلیل آنها برای خودروهای الکتریکی هیبریدی، الکتریکی و… را پوشش میدهد. به این ترتیب با طراحی مبتنی بر مدل، می‌توانید سیستمهای فیزیکی و کنترل و مدیریت مرتبط را برای انجام مطالعات پیشرانه‌های الکتریکی و اندازه‌گیری اجزای کلیدی مثل باتری و موتور را به راحتی شبیه‌سازی کنید. شما می‌توانید طراحی را در سطح سیستم بهینه کنید تا کارایی سیستم را به حداکثر برسانید و در عین حال همه اجزاء را در محدوده عملیاتی مناسب نگه دارید.
در مثالی دیگر
می توانید تجزیه و تحلیل و طراحی سیستمهای قدرت در هواپیما را بیشتر شامل سیستمهای الکتریکی، هیبریدی-الکتریکی و تمام الکتریکی استفاده کنید. شبیه‌سازی‌های فیزیکی متناسب با هدف خود را با استفاده از Simscape ایجاد کرده و از ارزیابی چرخه پرواز تا سوئیچینگ الکترونیکی را که شامل میشود، مشاهده کنید. سیستمهای ذخیره‌سازی و مدیریت انرژی و… را نیز تست و تجزیه و تحلیل کنید.
در مثالی دیگر
طراحی سیستم قدرت الکتریکی کشتی، از طریق تجزیه و تحلیل و طراحی سیستمهای قدرت و پاسخ حرارتی و خنک‌کننده حرارتی را در مدل‌های سیستم خود بگنجانید و به سرعت شبیه‌سازی کنید.
در مثالی دیگر
سیستمهای مدیریت انرژی و هوشمندسازی‌ها برای مکان‌ها مختلف هستند. سیستمهای مدیریت انرژی برای خانه، ساختمان، کارخانه و جامعه بخش مهمی از روند توسعه سیستمهای هوشمند هستند که گسترش یافته‌اند. این سیستمها قابلیت برنامه ریزی، انعطاف‌پذیری و عملیات سیستم انرژی را از طریق در نظر گرفتن کنترل سطح سیستم به جای کنترل مجزای واحدهای منفرد و تکی فراهم میکنند.
های پیش بینی و بهینه‌سازی را با MATLAB، Simulink و Simscape، می‌توانید توسعه دهید و ترکیب کنید. مثلا پیش بینی تقاضای برق و تولید آن ( روش‌های تولید برق )، مدل‌سازی و شبیه‌سازی سیستمهای الکتریکی، بهینه‌سازی عملیات و برنامه ریزی و…
متلب و سیمولینک برای اتوماسیون صنعتی و ماشین آلات
MATLAB® و Simulink® مهندسان را قادر می‌سازند تا به پیچیدگی روزافزون تجهیزات تولید مدرن و تقاضا برای انعطاف‌پذیری بالاتر رسیدگی کنند.
با استفاده از MATLAB و Simulink، مهندسان می‌توانند یک دوقلوی دیجیتال (Digital Twin) را در هر کجا که برای کاربردشان منطقی باشد برای انواع ماشین آلات صنعتی (دستگاه‌های هوشمند لبه، PLCها، یا کنترل‌کننده‌های صنعتی یا در زیرساخت فناوری اطلاعات سیستم) پیاده‌سازی کنند.
مهندسان اتوماسیون صنعتی و ماشین آلات از طراحی مبتنی بر مدل در متلب و سیمولینک برای موارد زیر استفاده میکنند:
- طراحی و آزمایش کنترل ماشین و منطق نظارتی
- تست‌های خودکار را روی عملکرد تجهیزات اجرا کنید
- طراحی الگوریتمهای هوش مصنوعی (AI) برای نگهداری پیش بینی و بهینه‌سازی عملیات
- ایجاد کد بلادرنگ (C/C++، IEC 61131-3) برای کنترلرهای صنعتی و PLCها
مخصوصا بحث خرید و فروش دستگاه‌های صنعتی پر رقابت در سایت فروش دستگاه‌های صنعتی پیش می‌آید و مکانیزاسیون و اتوماسیون صنعتی (مقاله تفاوت مکانیزاسیون و اتوماسیون صنعتی) به خاطر سریع شدن تولید در صنایع مختلف افزایش یافته است این مورد بیشتر به چشم می‌آید.
در مثالی دیگر
با استفاده از MATLAB و Simulink، مهندسان می‌توانند هوش مصنوعی و الگوریتمهای علم داده را در برنامه‌های اتوماسیون صنعتی بدون متخصص در علم داده یا یادگیری ماشین جاسازی کنند.
در مثالی دیگر
راه اندازی مجازی
با متلب و سیمولینک، مهندسان می‌توانند از مدل شبیه‌سازی اجزا، سیستمها یا کارخانه‌ها برای آزمایش و اعتبارسنجی طراحی آنها قبل از پیاده‌سازی آن بر روی نمونه‌سازی واقعی یا تجهیزات تولید استفاده کنند. راه اندازی مجازی به مهندسان این امکان را میدهد که خطاهای طراحی را در مراحل اولیه شناسایی و حذف کنند و زمان توسعه و اعتبار سنجی را کاهش‌دهند و در عین حال خطر و آسیب احتمالی را کاهش‌دهند.
این مقاله تکمیل و جامع تر خواهد شد.
لطفا نظرات خود را در دیدگاه ها یا کامنت های سایت با ما جهت بهتر شدن مقالات در میان بگذارید. ممنون 🙂
منابع:
مقاله تخصصی قبلی سایت آگهی تخصصم اینه – در مورد فنی و مهندسی – مهندسی مکانیک (مقاله اجزای ماشین) را می توانید با کلیک روی عنوان آن بخوانید.
شرایط تولید محتوای تخصصی و خرید رپورتاژ آگهی (با ارسال در 20 شبکه اجتماعی و وبلاگ سایت) در سایت آگهی تخصصم اینه را (اینجا) مشاهده نمایید.
برای دریافت مقالات بعدی سایت ایمیل خود را در فرم زیر وارد کنید.
اینستاگرام و تلگرام ایده، نوآوری، خلاقیت و تکنولوژی ما هست
