فناوری در حال حاضر نقش بسیار پررنگی در محاسبات و پیشرفت سریع‌تر کارهای مربوط به صنایع مختلف از جمله مهندسی شیمی دارد. ابزارهای قدرتمند و نرم‌افزارهای پیشرو به اصلاح و تسریع کار با سیستم‌ها و کنترل فرآیندهای مختلف شیمیایی کمک میکنند. سیستم‌ها و فرآیندهای مختلفی در مهندسی شیمی وجود دارد که برای کنترل و مدیریت آن‌ها نیاز به متلب دارید. این نرم‌افزار یکی از قدیمی‌ترین ابزارها برای انجام کارهای برنامه‌نویسی و شبیه‌سازی است که مهندسان شیمی از آن استفاده میکنند.
تجزیه و تحلیل مسائل مختلف در مهندسی شیمی به کمک متلب ساده‌تر می‌شود. بدین ترتیب، می‌توانید مسائل شیمی را حل، شبیه‌سازی، بهینه‌سازی و مدل‌سازی کنید. یادگیری متلب، سطح کار شما را چند سطح بالاتر میبرد.
اصول استفاده از متلب برای همه کاربران یکسان است و در این مقاله، نکات کلی برای یادگیری و استفاده از این ابزار را فرا می‌گیریم. مفاهیم اولیه، توابع پایه و شبیه‌سازی و بهینه‌سازی مدل‌ها در صنایع مختلف تفاوت چندانی ندارد؛ با این‌حال در ادامه به کاربردهای متلب در مهندسی شیمی نیز می‌پردازیم. هر مهندس شیمی می‌تواند از متلب برای پیشبرد فعالیت‌های خود استفاده کند. پس همراه ما باشید.
آشنایی با متلب: نصب و رابط کاربری
نرم افزار متلب یکی از بهترین و مهم‌ترین ابزارهای مهندسی شیمی به‌شمار می‌رود که به‌صورت فایل در سیستم نصب می‌شود. برای نصب این نرم‌افزار به سایت رسمی آن رفته و برای سیستم‌عامل ویندوز یا مک‌اواس خود آن را دانلود کنید. نرم‌افزار Matlab را که نصب کردید، با رابط کاربری گرافیکی مناسب برای استفاده از ابزارها و فهرست‌های آن روبرو می‌شوید. امکانات پیشرفته متلب اجازه می‌دهد تا کدها خود را نوشته و به آسانی اجرا کنید.
محیط مربوط به تدوین، پنجره فضای کاری و پنجره پیش‌نمایش از جمله ابزارهای کاربردی در رابط کاربری متلب هستند که مهندسان شیمی را برای نوشتن کدهای مختلف یاری می‌دهند. بصری‌سازی داده‌ها به‌صورت نمودار نیز در این نرم‌افزار به‌سادگی انجام می‌شود. رابط کاربری ساده متلب کمک می‌کند تا حتی مهندسان شیمی تازه‌کار نیز بتوانند با آن کار کنند. بعد از یادگیری اصول اولیه متلب، باید به سراغ آموز متلب پیشرفته بروید تا چم و خم آن دستتان بیاید.
اولین گام با متلب: مقدمه ای بر برنامه نویسی
قرار نیست در یک مقاله، شما را استاد متلب کنیم، اما علائم و مفاهیم کلی این نرم‌افزار را به شما آموزش می‌دهیم تا شروع مناسبی از کار با آن داشته باشید. با ما باشید تا با موارد مقدماتی و مهم برنامه‌نویسی متلب آشنا شوید:
1.مفاهیم اولیه برنامه نویسی
اگر هرکاری را بخواهید با کدهای دستوری در متلب انجام دهید، باید از Command Window آغاز کنید. پوشه‌های مربوطه در Current Folder و داده‌های برنامه در Workspace پیدا می‌شوند.
چند نکته مهم در صفحه فرمان برای شروع کار:
- خط فرمان در متلب با << شروع می‌شود.
- اگر میخواهید صفحه فرمان را پاک کنید، clc را وارد کنید.
- اگر در اول خط فرمان کلید ↑ را در صفحه کلید فشار دهید، به دستور قبل منتقل می‌شوید.
- اگر عبارت خاصی را تایپ کنید و کلید بالاپیما را فشار دهید، دستور قبلی متلب با همین عبارت در خط فرمان نمایش داده می‌شود.
- اگر بعد از نوشتن چند مورد از کاراکترها، کلید tab را در صفحه کلید نمایش دهید، لیست کامل از دستورات با شروع این عبارت نمایش داده می‌شود.
- دستور whos، برای نمایش لیست متغیرها با اطلاعات کامل‌تر استفاده می‌شود.
- با گذاشتن این علامت (؛) در انتهای هر دستور، آن خط از برنامه در حالت سکوت قرار می‌گیرد.
- علامت مساوی بین متغیرها مانند a=b، به معنای مساوی نیست و برای قراردادن محتوای b در a کاربرد دارد.
پیشنهاد مطالعه: بررسی کاربردهای متلب در مهندسی نفت
2.تعریف و استفاده از متغیرها در متلب
متغیرها یکی از اجزای مهم جزوه آموزش متلب در دانشگاه به‌شمار می‌روند. داده‌ها در متغیرها ذخیره می‌شوند و در بخش‌های دیگر، دوباره به‌کار گرفته می‌شوند. برای ایجاد هر متغیر، تنها به نامی با حداکثر 63 کاراکتر و مقداری مشخص نیاز است.
زبان متلب به بزرگی و کوچکی حروف حساس است و همینطور اجازه استفاده از نام‌های مربوط به ریاضی مانند کسینوس و تانژانت را نمی‌دهد. بهره‌بردن از دستور clear و نوشتن اسم متغیر در جلوی آن، روش پاک‌کردن آن محسوب می‌شود.
3. عملیات ریاضی و منطقی در متلب
عملگرهای ریاضی و منطقی در متلب اهمیت زیادی برای شما دارد، زیرا تجزیه و تحلیل داده‌ها در مهندسی شیمی با عملیات ریاضی انجام می‌شود. دو نوع عملگر ماتریسی و آرایه‌ای در متلب وجود دارد. محاسبه‌های ماتریسی به شکل جبر خطی و آرایه‌ای به شکل مولفه به مولفه انحام می‌شود. مثال‌هایی از عملگرهای ریاضی را در ادامه معرفی می‌کنیم:
- عملگر + و – : برای جمع و تفریق دو متغیر
- عملگر*: ضرب متغیرها در صورتی که تعداد ستون‌های ماتریس A با ماتریسB برابر باشد.
- عملگر .*: ضرب آرایه
- / و /. : به ترتیب تقسیم صحیح و تقسیم صحیح آرایه
- عملگر \ و \. : به ترتیب تقسیم اعشاری و تقسیم اعشاری آرایه‌ای
- عملگرد ^ و .^: توان و توان آرایه‌ای
- عملگر ‘ و .’ : ترانهاده ماتریس و ترانهاده آرایه‌ای
همچنین زمانی که این عملگرها در کنار دستورات مختلف قرار بگیرند، مفهوم خاصی را ایجاد میکنند که نمونه‌هایی از آن را معرفی می‌کنیم:
- uplus(a): افزایش به وسیله مقدار a
- plus (a,b): نتیجه a+b را برمی‌گرداند.
- uminus(a): کاهش به وسیله مقدار a
- times (a, b): نتیجه ضرب a.*b را بازمی‌گرداند.
- mtimes(a, b): پاسخ ضرب a*b را بازمی‌گرداند.
- rdivide(a, b): پاسخ a/b را برمی‌گرداند.
- mrdivide(A, B): معادله خطی xA=B for x را حل می‌کند.
پکیج‌های متلب برای مهندسی شیمی
متلب، زبانی برنامه‌نویسی است که برای حل محاسبات عددی و قراردادن داده‌ها در نمودار به ساده‌ترین شکل ممکن استفاده می‌شود. پکیج‌های مختلفی مانند سیمولینک به این زبان برنامه نویسی کمک میکنند تا کاربردهای بی‌شماری برای شاخه‌های مختلف مهندسی داشته باشد.
اگر در خانه یا مدرسه به نرم افزار متلب دسترسی ندارید، SCILAB نرم‌افزاری رایگان است که می‌تواند کارتان را جلو بیندازد. این ابزار به قدرتمندی متلب نیست، اما گزینه خوبی برای شروع به‌شمار می‌رود.
سیمولینک چیست؟
محیط نمودار بلوکی است که برای طراحی سیستم‌هایی با مدل‌های چند دامنه‌ای، شبیه‌سازی قبل از رفتن به سراغ سخت‌افزار و پیاده‌سازی بدون کدنویسی استفاده می‌شود.
پیشنهاد مطالعه: آموزش متلب در مهندسی پزشکی
کاربردهای سیمولینک
سیمولینک معروف‌ترین نرم‌افزار برای به‌کارگیری متلب است. در ادامه به کاربردهای آن می‌پردازیم:
سیمولینک برای طراحی مدل‌محور
شرکت‌های رهبر هر صنعت از طراحی مدل‌محور برای ایجاد تحول در توسعه سیستم‌های پیچیده بهره می‌گیرند. این کار از طریق استفاده سیستماتیک از مدل‌ها در طول کل فرآیند انجام می‌شود:
- استفاده از مدل مجازی برای شبیه‌سازی و آزمایش اولیه و گهگاه سیستم
- اعتبارسنجی طراحی با مدل‌های فیزیکی، آزمایش سخت‌افزار در چرخه و ساخت سریع پرتوتایپ
- تولید کدهای C، سی پلاس پلاس، کودا، PLC، وریلاگ و VHDL با کیفیتی در حد تولید و پیاده‌سازی مستقیم آن در سیستم امبدشده
- حفظ رشته‌ای دیجیتالی با قابلیت ردگیری از طریق نیازمندی‌ها، معماری سیستم، طراحی اجزا، کد و آزمایش‌ها.
- گسترش مدل‌ها به سیستم‌ها در عملیات برای اجرای تجزیه و تحلیل نگهداری و خطای پیش‌بینی‌کننده
سیمولینک برای شبیه‌سازی
شما می‌توانید سیستم‌های خود را قبل از واردشدن به بحث سخت‌افزار، طراحی و شبیه‌سازی کنید:
- ارزیابی سریع ایده‌های مختلف طراحی در محیط شبیه‌سازی چند دامنه‌ای
- شبیه‌سازی مدل‌های سیستم کلان مقیاس با اجزا و کتاب‌خانه‌های بازیافت‌پذیر شامل ابزارهای مدل‌سازی شخص ثالث و مشخص
- پیاده‌سازی مدل‌های شبیه‌سازی برای دسکتاپ، در لحظه و آزمایش سخت‌افزار در چرخه
- اجرای شبیه‌سازی‌های بزرگ روی دسکتاپ، کلاستر و فضای ابری
سیمولینک برای مهندسی سیستم‌های مدل محور
مهندسی سیستم‌های مدل محور (MBSE)، کاربرد مدل‌ه برای پشتیبانی از چرخه کامل سیستم است. سیمولینک در فرآیند توسعه از نیازمندی‌ها و معماری سیستم به طراحی، پیاده‌سازی و آزمایش مولفه‌ها پل می‌زند:
- گرفتن و تجزیه نیازمندی‌ها
- تعریف و شرح مشخصات برای اجزا، ترکیب‌ها و معماری‌ها
- ایجاد تک منبع برای معماری و رابط کاربری جزمحور
- انجام مطالعات تجزیه و تحلیل و ترید با استفاده از متلب
- اعتبارسنجی نیازمندی‌ها و تایید معماری سیستم با استفاده از آزمایش‌های شبیه‌سازی محور
سیمولینک برای توسعه چابک نرم‌افزار
توسعه نرم‌افزار به‌شکل چابک به تیم‌ها کمک می‌کند تا ارزش خود را سریع‌تر به مشتری عرضه کنند. این کار با استفاده از چرخه‌های کوتاه‌تر تکرار و با تاکید بر ادغام و همکاری تیمی انجام می‌شود. تست‌های خودکار در شبیه‌سازی و چرخه کوتاه توسعه با تولید کد شما را قادر می‌کند تا تبدیل به تیم چابکی موفق شوید:
- توسعه و اجرای تست‌های شبیه‌سازی در سروری خودکار برای تایید ادامه‌دار نسخه‌های مختلف طراحی
- انجام تجزیه تحلیل و تست روی دسکتاپ قبل از ورود به بخش سخت‌افزار
- ارائه نرم‌افزار در حال کار به مشتری از طریق شبیه‌سازی برای ارزیابی‌کردن
- واکنش به تغییرات نیازمندی‌ها از طریق به‌روزرسانی و شبیه‌سازی مدل
- نمایان‌کردن پیشرفت برای ذی‌نفعان کلیدی با گزارش و داشبوردهای خودکار
کاربردهای متلب برای مهندسی شیمی
نرم‌افزار متلب در مهندسی شیمی کاربردها و فواید زیادی دارد. این برنامه به ما کمک می‌کند تا شکل فیزیکی بسیاری از فرآیندهای شیمیایی را بهتر و عمیق‌تر درک کنیم. ما در مهندسی شیمی به کنترل موارد مختلفی در فرآیندها نیازمند هستیم. برای مثال، واکنش‌های گرمازای زیادی در راکتور هسته‌ای انجام می‌شود. مهندس شیمی برای آن‌که بتواند این فرآیند خطرناک را به‌خوبی کنترل کند، نیاز دارد تا آن را به‌طور کامل متوجه شود. ابزار متلب کمک می‌کند تا واکنش‌ها را کاملا درک کنیم، زیرا هم تحلیل کیفی و هم کمی یک فرآیند را در این نرم‌افزار متوجه می‌شویم.
مدل‌سازی و شبیه‌سازی نقش پررنگی را در مهندسی شیمی ایفا میکنند. ما برای طراحی هرگونه ابزار و فرآیندی نیاز به این دو مفهوم داریم. متلب هم برای طراحی راکتور و هم برای شبیه‌سازی فرآیندهای آن برای رسیدن به نتیجه مطلوب مفید است. انواع مدل‌ها و شبیه‌سازی‌ها در سیمولینک و برنامه‌های دیگر انجام می‌شود. کاربردهای متنوع متلب برای مهندسان شیمی شامل کنترل فرآیند، محاسبات فرآیند، دستکاری عددی، شبیه‌سازی، مدل‌سازی و بهینه‌سازی فرآیند می‌شود.
سخن پایانی
در دوره کارشناسی، متلب یکی از ابزارهای مهمی است که آموزش داده می‌شد. در مقاله بالا از مزایا و فواید مهم این نرم‌افزار در مهندسی شیمی گفتیم. اگر شما آینده کاری خود را در صنعت شیمی و بین مهندسان خبره می‌بینید، یادگیری این نرم‌افزار قطعا به کارتان می‌آید. دوره‌های آموزش متلب مکتب خونه برای یادگیری متلب یکی از بهترین منابع آموزشی شما به‌شمار می‌رود.
