چگونه سیمولینک متلب بدون کدنویسی، کنترلر طراحی می‌کند؟

یکی از مهمترین مراحل در پروژه های مهندسی از جمله: مهندسی برق در گرایش های مختلف، رباتیک، مکانیک و حتی پروژه های صنعتی، طراجی کنترلر می باشد. مهندسان در انجام پروژه متلب یا استفاده از سیمولینک در راه اندازی مدل های پیچیده، با چالش هایی مواجه می شوند. اما سیمولینک با ایجاد قابلیت های بروز Auto-Tuning، این روند را تسهیل کرده است. بطوریکه امروزه بدون حتی نوشتن یک خط کد، میتوان کنترلرهای حرفه ای را شبیه سازی نمود. 

مقدمه ای بر سیمولینک Simulink:

یکی از ابزارهای قوی در نرم افزار متلب، سیمولینک (Simulink) می باشد. که برای شبیه سازی، مدلسازی و الگوسازی در سیستم های پیچیده بکار می رود. سیمولینک بر پایه محیط بلوکی(Block Diagram) کار میکند. در متلب که روش کار براساس کدنویسی مستقیم است، در سیستم برهلاف آن بر اساس اتصال میان بلوک ها، ساختاردهی گرافیکی و برپایه شبیه سازی بصری کار انجام میگیرد. برهمین اساس مهندسین بسیاری از سیمولینک بعنوان ابزار اصلی در پروژه های مختلف استفاده می کنند.

در این مقاله قرار است با ویژگی ها، قابلیت ها و مراحل طراحی کنترلر در سیمولینک آشنایی پیدا کنیم. با ماهمراه باشید.

بلوک دیاگرام در سیمولینک، طراحی با Drag & Drop:

نمودار بلوکی یک نمایی دیداری از یک سیستم بوده که در آن بلوک ها از اجزای جداگانه تشکیل شده اند. و خطوط سیگنال رابطه های بین آنها را نمایش می دهند. یک بلوک در نمودار میتواند یک عملیات، مدل یا تابعی را تعریف کند. نمودارهای بلوکی در یک سیستم باعث درک و شناسایی بهتر اجزای آن می شود.

در سیمولینک تنها با Drag & Drop میتوان بلوک های سیستم را ساخت. این ویژگی در میان دانشجویان و مهندسین در حین انجام پروژه های متلب باعث تسریع و پیاده سازی راحت تر کنترلر می شود.

نمونه نمودار بلوکی سیمولینک از یک سیستم کنترل سرعت موتور

بلوک های آماده کنترلرهای PID، LQR و MPC در سیمولینک:

سیمولینک از کنترلرهای آماده ای تشکیل می شود ازجمله:

• LQR و LQG
• State-Space Controller
• Model Predictive Control (MPC)
• PID Controller

از قابلیت های مهم در طراحی کنترلر، وجود بلوک های آماده ای مثل: PID، LQR و MPC می باشد. برای این کار کافیست تا کنترلر را به مدل خود اضافه کرده و ورودی و خروجی ها را متصل نمایید. انجام پروژه سیمولینک برای افزادری که بدون نیاز به نوشتن کد میخواهند به نتیجه مطلوب برسند، مزیت بزرگی محسوب می شود.

نمونه ای از انواع بلوک های کنترلی در زیر قابل مشاهده می باشد:

نحوه بهینه کردن Auto-Tuning در پارامترهای کنترلر:

یکی از قابلیت های مهم در متلب و سیمولینک، ویژگی Auto-Tuning می باشد. که برای تحلیل مدل سیستم، تخمین رفتار دینامیکی آن، محاسبه پارامترهای کنترلر از جمله: مثل KP، KI، KD بکار برده می شود. بهمین علت نیازی به آزمون و خطا تا رسیدن به نتیجه مطلوب نمی باشد. 

این  ویژگی در پروژه های زیادی کاربرد دارد، از جمله:

✔ پروژه های صنعتی

✔ پروژه های دانشجویی رباتیک و کنترل

✔ طراحی کنترلر در سیستم‌های Simscape

استخراج مدل دینامیکی در سیمولینک بدون کدنویسی:

یکی از توانایی های سیمولینک، تحلیل مدل دینامیکی سیستم می باشد. از طریق:

1. معادلات بلوکی
2. داده های ورودی و خروجی
3. مدل‌های Simscape
4. مدل های وارد شده

در اینصورت کاربر نیازی به نوشتن معادلات پیچیده ریاضی ندارد. سیمولینک خودش مدل را تفسیر و برای کنترل آماده سازی می کند.

استخراج مدل دینامیکی در سیمولینک بدون کدنویسی:

درصورتیکه مدل فیزیک دقیق در دسترس نباشد، میتوان با استفاده از سیمولینک، داده های ورودی/ خروجی مدل سیستم را استحراج نمود. این ویژگی ها بخصوص در، انجام پروژه انتقال حرارت، کنترل دما، کنترل موتور  و فرایند های شیمیایی کاربرد دارد.

تحلیل پاسخ فرکانسی و زمانی با ابزارهای گرافیکی سیمولینک:

ابزارهایی در سیمولینک در اختیار کاربر وجود دارند که، بصورت گرافیکی اثر کنترلر بر رفتار سیستم را نمایش میدهند. که کاربر فقط با مشاهده نمودارها میتواند تصمیم بگیرد که آیا نیاز به اصلاح کنترلر هست یا خیر.  ازجمله این ابزارها میتوان به: Nyquist Plot، Root Locus، Bode Plot و Step Response اشاره کرد.

امکان شبیه سازی لحظه ای جهت تنظیم خودکار کنترلر:

سیمولینک امکان Real-Time Simulation (شبیه سازی لحظه ای) را فراهم کرده است. که در زمان فعال بودن Auto-Tuning، این امکان فراهم می شود. و پارامتر های کنترلر بصورت اتوماتیک تصحیح می شوند.  در اینصورت خروجی سیستم در بهترین شکل ممکن تنظیم شده و بدون نیاز به کدنویسی یا آزمون و خطا کردن و اتلاف وقت، شبیه سازی انجام میگیرد.

رابطه بین Simscape با Auto-Tuning برای مدل‌های فیزیکی:

در مدل های چندفیزیکی Simscape، معادلات بطور اتوماتیک تولید می شوند. این مدلها بصورت منسجم بهمراه Auto-Tuning کار کرده و شما قادر به طراحی سیستم های الکترونیکی، حرارتی، هیدرولیکی و مکانیکی خواهید بود. بدو حتی یک خط کدنویسی.

مرحله اعتبارسنجی کنترلر طراحی شده در محیط شبیه سازی:

پس از آنکه طراحی کنترلر انجام شد، کاربر قبل از پیاده سازی برروی سخت افزار، کنترلر را بطور کامل تست کرده و از این طریق خطاهای احتمالی به حداقل می رسد. پس مراحل زیر پیش می رود:

• اجرای شبیه سازی
• بررسی رفتار سیستم تحت تغییرات متفاوت
• مشخص شدن خطاها
• اعمال اصلاحات ضروری
• درصورت نیاز انتقال کنترلر به کدنویسی متلب، و امکان گرفتن خروجی C/C++

نتیجه گیری:

سیمولینک با ترکیبی از قابلیت های پرقدرت Auto-Tuning، بلوک‌های آماده کنترلر، شبیه‌سازی لحظه‌ای و ابزارهای تحلیلی توانسته فرایند طراحی کنترلر را ساده سازی نماید. بر همین اساس حتی کاربرانی که تجربه کافی برنامه نویسی متلب را ندارند قادرند تا برای سیستم های واقعی، کنترلرهای حرفه ای طراحی کنند.