آموزش کاربردی متلب سیمولینک در مهندسی برق

در مقاله آموزش نرم افزارهای مهندسی برق (6 نرم افزار کاربردی) خواندیم که متلب، محبوب‌ترین نرم‌افزار بین دانشجویان و فارغ‌التحصیلان رشته مهندسی برق است. این نرم‌افزار با گذشت زمان تکامل یافته و به جامع‌ترین نرم‌افزار برنامه نویسی برای انجام محاسبات عددی، شبیه‌سازی‌های سیستم Dynamic، راه‌حل‌های جبری از طریق آرایه‌ها و ماتریس تبدیل شده است. در این مقاله به یکی از ابزارهای فوق‌العاده متلب یعنی سیمولینک (Simulink) می‌پردازیم و ضمن معرفی آن، کاربردهایش در حوزه‌های مختلف مهندسی برق و روش انجام پروژه با آن را شرح می‌دهیم.

متلب سیمولینک چیست؟

سیمولینک یک محیط برنامه‌نویسی گرافیکی در متلب است که در مدل‌سازی، شبیه‌سازی و تحلیل سیستم‌های پویا کاربرد دارد. این ابزار به‌صورت گسترده در سیستم‌های کنترل، پردازش سیگنال، ارتباطات، رباتیک و سایر رشته‌های مهندسی قابل استفاده است. این ابزار نخستین بار در سال 1985 منتشر شد. هدف اصلی سیمولینک پشتیبانی از طراحی مبتنی بر مدل (Model Based Design) است، یک فرایند مهندسی که در آن مدل‌های سیستم در طراحی، اعتبارسنجی، آزمایش و استقرار استفاده می‌شوند.

از جمله قابلیت‌های مهم ابزار سیمولینک به مدل‌سازی و شبیه‌سازی با نمودار بلوکی، شبیه‌سازی چند دامنه‌ای، تولید کد و پیاده‌سازی آن با استفاده از Simulink Coder و Embedded Coder، تایید و اعتبارسنجی و شبیه‌سازی لحظه‌ای اشاره کرد که در این مقاله به‌طور مفصل به آن‌ها می‌پردازیم.

ویژگی‌های منحصر به فرد متلب سیمولینک

ابزار سیمولینک، قابلیت‌ها و امکانات فوق‌العاده‌ای دارد که آن را به گزینه‌ای مطمئن و قابل اطمینان برای مهندسین رشته‌های مختلف به‌ویژه مهندسی برق تبدیل می‌کند. در این قسمت از مقاله به معرفی ویژگی‌های سیمولینک و مکانیزم آن‌ها می‌پردازیم.

• سیمولینک یک ویرایش‌گر بلوکی گرافیکی فراهم می‌کند که در آن کاربران می‌توانند به سادگی مدل‌ها را ایجاد کنند. علاوه بر این، به کاربران این امکان را می‌دهد که سیستم‌های الکترونیکی، مکانیکی، هیدرولیکی، پردازش سیگنال و کنترل را در یک محیط واحد مدل‌سازی کنند.
• همان‌طور که اشاره شد، سیمولینک از طراحی مبتنی بر مدل نیز پشتیبانی می‌کند. به معنی آن‌که مهندسان می‌توانند پیش از پیاده‌سازی سخت‌افزاری، مفاهیم را در مراحل اولیه از طریق شبیه‌سازی اعتبارسنجی کنند. این رویکرد باعث کاهش ریسک و افزایش سرعت تکرارهای طراحی می‌شود.
• یکی دیگر از ویژگی‌های منحصر به فرد سیمولینک، توانایی تولید و استقرار خودکار کد است. Simulink می‌تواند مدل‌ها را به کدهای C/C++، CUDA، HDL یا PLC تبدیل کرده و مستقیما در سخت‌افزارهای تعبیه‌شده پیاده‌سازی نماید. این ابزار امکان تایید و اعتبارسنجی مدل‌ها را نیز از طریق قابلیت‌هایی مانند Simulink Verification & Validation و Design Verifier فراهم می‌کند.
• از آنجایی که سیمولینک از یک مدل سلسله‌مراتبی استفاده می‌کند (جایی که سیستم‌های پیچیده به زیربخش‌ها و کتابخانه‌های مجزا تقسیم می‌شوند) می‌تواند باعث افزایش نگهداری‌پذیری و مقیاس‌پذیری شده و امکان استفاده مجدد از اجزا و جداسازی تمیز طراحی را فراهم ‌سازد. علاوه بر این، پشتیبانی داخلی سیمولینک از طراحی سیستم‌های واریانتی نیز به کاربران اجازه می‌دهد تا پیکربندی‌های مختلف یا خطوط تولید متعدد را در یک مدل واحد مدیریت کنند.
• قابلیت‌های سیمولینک با افزودن جعبه‌ابزارهایی مانند Stateflow، Simscape، SimEvents، Control Design و Design Optimization گسترش می‌یابد. این ابزارها مدل‌سازی تخصصی در حوزه‌های گوناگون را فراهم می‌کنند از جمله: مدل‌سازی منطق کنترلی و ماشین‌های حالت، مدل‌سازی فیزیکی سیستم‌های مکانیکی، الکتریکی، و هیدرولیکی با استفاده از شبکه‌های فیزیکی دوطرفه و مدل‌سازی رخدادهای گسسته در محیط زمانی سیمولینک.
• از آنجایی که سیمولینک با متلب ادغام شده است، امکان خودکارسازی فرآیندها از جمله اجرای دسته‌ای شبیه‌سازی‌ها، آزمایش‌های سفارشی، تولید گزارش و تنظیمات محیطی در آن وجود دارد. علاوه بر این کاربران می‌توانند بلوک‌های دلخواه ایجاد کرده یا از APIهای مبتنی بر MATLAB برای توسعه سیمولینک استفاده کنند.
• سیمولینک شامل حالت‌های مختلفی برای شبیه‌سازی می‌باشد از جمله: حالت تفسیرشده (Normal)، Accelerator، Rapid Accelerator و حالت‌های کامپایل‌شده، که بسته به نیاز عملکرد و سرعت تکرار را تنظیم می‌کنند. ویژگی منحصر به فرد دیگر Simulink، تحلیل مدل، اشکال‌زدایی گرافیکی و بررسی عملکرد است. بنابراین کاربر می‌تواند از طریق Model Explorer به مدل‌ها دسترسی داشته، وابستگی‌ها را دنبال کند، سیگنال‌ها و پارامترها را جستجو کرده و مشکلات طراحی را شناسایی و اصلاح کند.

چرا هر مهندس برق باید متلب سیمولینک یاد بگیرد؟ 

همان‌طور که تا اینجای مقاله مطالعه کردید، سیمولینک ابزار گرافیکی متلب برای مدل‌سازی است که در صنایع مختلف (خودرو، هوافضا، دفاع، سیستم‌های قدرت، رباتیک و سیستم‌های کنترل تعبیه‌شده) به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این همن‌طور که در دوره آموزش سیمولینک در متلب (MATLAB) تدریس می‌شود، پیاده‌سازی سیستم‌های استاتیکی، دینامیکی و کنترلی نیز از کاربردهای محبوب سیمولینک است. اما سوال اصلی این است که چرا یادگیری این ابزار برای مهندسان برق ضروری است؟ در این قسمت دلایل اهمیت Simulink را از ابعاد مختلف مورد بررسی قرار می‌دهیم.

• سیستم‌های کنترل و اتوماسیون: سیمولینک طراحی کنترل (PID، فضای حالت، سیستم‌های تطبیقی)، تنظیم کنترلر، شبیه‌سازی حلقه بسته و تولید کد خودکار را ساده‌سازی می‌کنند و به طراحی مبتنی بر مدل (MBD) کمک می‌نماید.
• سیستم‌های قدرت و انرژی: از اتصال به شبکه، کنترل مبدل‌های قدرت، تحلیل خطا گرفته تا ذخیره‌سازی انرژی و منابع تجدیدپذیر، سیمولینک (به‌ویژه Simscape Electrical) شبیه‌سازی، بهینه‌سازی، تست بلادرنگ و تولید کد را امکان‌پذیر می‌کند.
• رباتیک، سیستم‌های خودران و خودروهای برقی: مدل‌سازی و تست سنسورها، دینامیک، کنترل کشش و مدیریت انرژی خودرو با سیمولینک انجام می‌شود. علاوه بر این، سیمولینک با یادگیری ماشین، ROS و جریان‌های کاری HIL سازگار است.
• نمونه‌سازی سریع و کارایی بالا: در سیمولینک، با ابزارک‌ها و بلوک‌های از پیش پیکربندی‌شده، کارهایی مانند فیلتر کردن سیگنال یا طراحی کنترل در عرض چند دقیقه انجام می‌شود، در حالی که همین کارها در زبان‌های برنامه‌نویسی خام ساعت‌ها زمان می‌برد. علاوه بر این استفاده از این ابزار، زمان توسعه در پروژه‌های کنترل و پردازش سیگنال را به‌شدت کاهش می‌دهد.

فرض کنید یک مهندس برق می‌خواهد پروژه‌هایی با هدف پیاده‌سازی یک سیستم کنترلی ساده برای تنظیم خودکار شدت روشنایی بر اساس نور محیط انجام دهد. در این‌صورت می‌تواند از سیمولینک برای اجرای پروژه خود استفاده کند. بنابراین باید مراحل زیر را طی نماید:

ساخت بلوک‌های اصلی

• بلوک سنسور نور (LDR): با استفاده از یک منبع سیگنال (Sine Wave) به عنوان شبیه‌ساز تغییرات نور محیط
• بلوک کنترلر PID: از کتابخانه Simulink > Continuous اضافه می‌شود.
• بلوک PWM و LED: با استفاده از Gain و Saturation برای شبیه‌سازی محدوده کاری LED

اتصال بلوک‌ها

• سنسور نور → کنترلر PID → بلوک PWM → LED  
• یک Scope نیز برای مشاهده تغییرات نور و خروجی اضافه می‌شود.

تنظیم پارامترها

• کنترلر PID: 1، I=0.1، D=0.01 (مقادیر اولیه برای تست).
• محدوده نور محیط: ولتاژ سنسور بین 0V (تاریک) تا 5V (روشن) تغییر می‌کند.

اجرای شبیه‌سازی و تحلیل نتایج

• شبیه‌سازی را اجرا کنید (دکمه Run).
• خروجی‌ها را بررسی کنید: نمودار Scope باید نشان دهد که با کاهش نور محیط (سیگنال ورودی)، روشنایی LED افزایش می‌یابد و بالعکس.
• بهینه‌سازی کنترلر: در صورت نوسان یا پاسخ کند، ضرایب PID را تنظیم کنید.

کاربردهای کلیدی متلب سیمولینک

از آنجایی که ابزار سیمولینک خصوصیاتی مانند انعطاف‌پذیری، گستردگی کاربرد در صنعت، سرعت در طراحی و شبیه‌سازی را داراست، همواره مورد توجه مهندسان خبره قرار گرفته و در حوزه‌های گوناگون مورد استفاده بوده است و این روند همچنان ادامه دارد. برای مطالعه بیشتر در خصوص کاربردهای سیمولینک در دنیای آینده، می‌توانید به سایت sciengineer مراجعه نمایید. در جدول زیر نیز می‌توانید کاربردهای کلیدی سیمولینک را در بخش‌های مختلف ملاحظه نمایید.

محدودیت‌های متلب سیمولینک

همان‌طور که می‌دانید، هر نرم‌افزاری شامل محدودیت‌هایی نیز می‌شود و متلب سیمولینک نیز از این قاعده مستثنی نیست. بنابراین برای استفاده بهینه از این ابزار باید از محدودیت‌های آن آگاه باشیم که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

• محدودیت در حل‌گر و زمان نمونه‌برداری: بلوک‌های Simscape به‌طور پیش‌فرض از زمان نمونه‌برداری پیوسته استفاده می‌کنند و نمی‌توانند با حل‌گرهای گسسته کار کنند، مگر در شرایط خاص پیکربندی. علاوه بر این نمی‌توان زمان نمونه‌برداری را در زیرسیستم‌های غیرمجازی که شامل بلوک‌های Simscape هستند تغییر داد.
• برخی پیاده‌سازی‌ها از سیگنال‌های  Bus، برخی انواع زمان نمونه‌برداری، بردارهای کاری (work vectors)، یا ابعاد دینامیکی پشتیبانی نمی‌کنند. مثلا S‑Function Builder از زمان نمونه‌برداری بر اساس پورت، نرخ‌های نمونه‌برداری متعدد، یا سیگنال‌های با ابعاد متغیر در بلوک‌های چند پورتی پشتیبانی نمی‌کند.
• مدل‌هایی که هم‌زمان اجرا می‌شوند، باید از حل‌گر با گام ثابت (Fixed-step) استفاده کنند. ویژگی‌هایی مانند اجرای external mode در مک، لاگ‌گیری فایل‌های MAT، ورودی‌های فراخوانی تابع در سطح بالا، یا تنظیمات نادرست تشخیصی مانع از استفاده از پردازش چند‌هسته‌ای می‌شوند.
• مدل‌های Simulink به‌صورت باینری یا اسناد پیچیده ذخیره می‌شوند که در سیستم‌هایی مانند Git یا SVN به‌ راحتی قابل مقایسه یا ادغام نیستند. این موضوع توسعه تیمی و ردیابی تغییرات را دشوار می‌سازد.
• اجرای اولیه Simulink ممکن است کند باشد، به‌ویژه در سیستم‌هایی که آنتی‌ویروس سنگینی دارند. در سخت‌افزار ضعیف یا مدل‌های بزرگ، رابط کاربری و حرکت بین کتابخانه‌ها نیز ممکن است دچار کندی شود.

سخت‌افزار مورد نیاز برای نصب

برای استفاده بهینه از سیمولینک، باید از مطابقت مشخصات سخت‌افزاری سیستم خود با حداقل نیازمندی‌های جنبه‌های مختلف اطمینان داشته باشید. در جدول زیر این موارد آورد شده‌اند: (در سال 2025)

جمع‌بندی

در این مقاله به معرفی و بیان کاربردهای متلب سیمولینک با تمرکز بر رشته مهندسی برق پرداختیم. همان‌گونه که توضیح داده شد، این ابزار قابلیت‌های بی‌نظیری در طراحی، شبیه‌سازی، تحلیل و بهینه‌سازی سیستم‌های پیچیده دارد. علاوه بر این، تسلط به سیمولینک برای مهندسان برق یک مزیت رقابتی بزرگ محسوب می‌شود که با استفاده از آن می‌توانند فرصت‌های شغلی بسیار زیاد و متنوعی را برای خود ایجاد کنند. اگر به یادگیری کاربردی ابزارها و نرم‌افزارهای مهندسی برق و سایر رشته‌های مهندسی علاقه‌مند هستید، پیشنهاد می‌کنیم دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان را از دست ندهید.

نویسنده: رضا صفایی، کارشناس مدیریت صنعتی