کتاب اصول کدنویسی و شبیه‌سازی 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.

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.

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

عملیات آرایه‌ای و محاسباتی،

تکنیک‌های ترسیم

شروط و حلقه‌های تکرار

اصول کدنویسی سیستم‌های کنترل مدرن و خطی

محیط سیمولینک و مثال‌های ترکیبی

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

کنترل‌کننده‌ی PID

ارائه‌ی مثال‌های ترکیبی کدنویسی و سیمولینک با حل موازی و مقایسه‌ای

شبیه‌سازی مدارات الکترونیکی

اصول طراحی دیجیتال و مدار منطقی در سیمولینک

اصول و پیاده‌سازی کنترل‌کننده بهینه

اصول ایجاد مدل سیمولینکی به کمک کدنویسی

اصول تقریب مرتبه‌ اول و کاربرد آن در کدنویسی

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.

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.

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