MATLAB® & Simulink® 於工業自動化及機械產業

MATLAB & Simulink解決方案 - 先進機器人(Robotics)系統開發

提供製造、測試、發電等應用設備的的製造業者，現在正面臨了開發嵌入式應用時，必須整合機械、電子、控制、與訊號處理等不同系統的高難度挑戰。具有前瞻性的公司因此開始利用模型化基礎設計(Model-Based Design)來重新定義過去的系統層級設計方法。

模型化基礎設計能幫助工業設備的製造商，利用Simulink模型建立出可以實行的規格，模型能為不同領域的工程團隊提供更清晰的設計方針。

模型的共用，能讓研發重心由傳統的硬體設計與測試轉變為模型的設計與測試，在資源投入到原型化之前先進行跨領域的早期設計驗證。機器的製造商接著可以透過程式碼生成技術，從模型產生程式碼減少重複工作、快速連結程式碼與設計、讓軟體工程師可以專注於軟體架構。

電力轉換和控制設備

電力的轉換和調節為自動化及運輸產業的關鍵技術，相關應用包含馬達控制的電力驅動、電壓調節、電壓轉換器等等。固態電力電子的進步讓工程師可以開發調變、轉換功率範圍更廣的設備。這些裝置是降低能源消耗、提升電氣效率及改善電力傳輸的關鍵。

模型化基礎設計讓工程師可以建立電力電子與電氣控制、訊號處理演算法的模型，有助於減少設計這些零件所需要的工作量。桌上型電腦和即時模擬允許在多個操作條件下進行測試，不需要承擔風險或花費大量成本執行在實際硬體上。程式碼的自動生成則有效降低實現嵌入式程式碼所需要的工作量，協助確保運算效率。

開發及實現馬達控制的控制演算法

若利用像是脈寬調變(pulse width modulation, PWM)等技術來開發電驅動，在不同的電力及馬達操作條件下進行嵌入式控制的驗證往往是項高難度的挑戰。利用MATLAB與Simulink，工程師能夠以模擬的方式快速進行馬達控制演算法的迭代來縮短開發時間。控制演算法可以依現實的電氣負載模型來被驗證，確保該模型在所有的操作條件下都可以正常運作。控制演算法還可以直接透過程式碼的自動生成來進行設計實現，減少人工撰寫C程式碼耗費的心力。

開發太陽能逆變器的最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracing, MPPT)演算法

太陽能逆變器的效率受到最大功率點追蹤(maximum power pointtracing, MPPT)演算法的開發的影響。MathWorks軟體能夠幫助工程師模擬太陽能面板的DC來源以及逆變器上的電力負載，以降低設計及測試逆變器的花費的成本與心力。逆變器設計工程師可以執行多種操作條件的模擬，測試不同的日照、局部面板陰影，負載快速變化等情況。

產業型機器人與生產設備

穩定的電壓能讓工業生產設備的性能提升，也能持續降低成本。其中一種常見方式是減少機台的質量，但這時常影響機台的鋼性及準確控制其移動的能力。除此之外，隨著機台複雜度的增強以及動作軸的增加，對電氣、機械、控制系統進行整合的分析與優化工作，通常會被拖到完整的原型已經建立好之後才開始進行，但任何在這個階段發現的問題，除了會讓設計專案回溯到幾個月前之外，還會因為計畫的重建與重複測試而影響到預算。

模型化基礎設計能幫助工程師開發一個系統層級的機電模擬，工程師可以評估和優化電氣、機械、和控制系之間的動態交互作用，以及其對嵌入式軟體造成的影響。利用MATLAB與Simulink的程式碼生成的功能，開發者可以建立即時的模擬來測試控制或訊號處理的嵌入式演算法。

利用快速原型化進行即時控制器測試

開發工業設備控制器的廠商可以像manroland一樣從使用MATLAB與Simulink的模型化基礎設計得到相當大的助益。工程師可以即時模擬真實硬體在各種不切實際且危險的操作條件下的運作，來測試他們的控制演算法，有效縮短控制器開發的時間。當模擬結果令他們感到滿意，工程師便可以快速地將演算法轉檔配置到真正的控制器微處理器。

以更短的時間開發出產業型機器人控制

產業型機器人是一個很典型的機電整合問題，它牽涉機械、電氣、控制系統設計的整合。MATLAB與Simulink軟體提供的物理建模及控制系統設計的支援幫助工程師開發用於精密、無振動機器人控制的多軸補償器策略。機械、電氣、及控制系統都在同一個軟體環境進行模擬，讓整個系統設計的優化更實際。因為測試跟驗證都以電腦與即時模擬完成，讓整合上的錯誤可以在設計流程的早期及時發現。

利用模型化基礎設計及PLCs的程式碼生程技術進行生產機台的虛擬調試(Virtual Commissioning)

現代化的生產機台包含了日益複雜的即時軟體，這些軟體通常在PLC、PAC或工業電腦上執行。工程師可以利用以建模、模擬、程式碼生成為基礎的虛擬調試，在實體機台完成之前先進行功能的測試及驗證。利用MATLAB與Simulink軟體，工程師可以進行物理建模，其中包含CAD輸入，藉此來實現受控體模型。Simulink®及事件導向系統模擬軟體(Stateflow®)有助於設計、參數化、測試閉合迴路的控制軟體與狀態機。最後，工程師可以利用自動產生程式碼的功能來即時產生C/C++或IEC 61131-3 ST/LD程式碼，將之前測試的功能在PLC實現。

流程自動化系統及工業控制設備

靈活且精確的流程自動化系統對於加工和生產作業的獲利來說非常重要。開發受控體監測和控制的應用具有一定難度，因為實際在受控體上測試所開發的應用成本昂貴且危險。系統設計師因此時常在解決方案正式實現之前仰賴模擬來進行早期驗證。

現代化的分散式控制系統(distributed control systems, DCS)提供先進的控制和監測功能。MathWorks軟體可用於多變量控制、PID控制、模糊邏輯、類神經網路，其提供了靈活的電腦原型化環境，幫助自動化系統設計師開發這些現代化的應用。利用MATLAB與Simulink，這些應用可以完全地依循流程模型來演練，與在現場進行昂貴且不安全的操作及複雜條件的測試相比有更大的優勢。MATLAB與Simulink皆支援符合ANSI/ISO的C程式碼產生功能來消除手動編碼造成的錯誤，並使DCS的部署配置更加流暢。開發者可以將OPC工具箱( OPC Toolbox™)與在MATLAB或Simulink執行的流程模擬連接，來進一步驗證應用在DCS上的運作。

發電和運輸設備

由於環境因素與石油資源的消耗，讓發電設備製造商開始將資源投入於新技術的開發，像是風力及太陽能發電。這些技術帶給發電及運輸設備的供應商更高階的複雜性。傳統的電網正快速地演變為供應商和用戶/供應商之間的智慧電網。確保電網的可靠度讓設備供應商在開發仰賴高功率電子來控制使設備安全運作的創新系統面臨更大的負擔。

模型化基礎設計幫助設備製造商進行電氣、機電、化學、及其他領域應用的模型建立及模擬，來開發必要的控制及訊號處理演算法，為全球正在提高的用電量的操作確保其安全性及可靠性。從領導性的風力渦輪製造商到開發超高壓電運輸設備的廠商，工程師開始使用MathWorks提供的軟體，幫助他們設計、測試、實現他們產品中的嵌入式系統。

利用模型化基礎設計來設計及實現風力渦輪控制演算法

風力渦輪是機械與電器系統複雜的交互作用下的產物，其功用在於以不斷變化的風作為來源，從中萃取出穩定的電力。渦輪速的控制涉及在不同風力負載下持續不間斷地進行葉片間距控制以達到電力產量最大化，並同時將渦輪維持在最適當的操作範圍。模型化基礎設計利用電腦機電模擬模型，在難以於現場環境驗證的操作條件下去測試補償器策略，可幫助風力渦輪設計工程師開發必要的葉片間距控制演算法。從模型自動產生C程式碼讓工程師執行控制演算法的即時測試，並可以將控制演算法轉檔佈署到真正的控制器硬體。

利用模擬改善燃料電池控制系統及縮短開發時間

透過燃料電池發電已經變成一種代替傳統石油發電的可行綠色能源。化學反應的控制與電力輸出調節的複雜性，儼然成為控制系統工程師在開發燃料電池控制系統所遭遇的新挑戰。MathWorks軟體能幫助工程師建立化學及電氣系統模型以及開發調節電力系統所需的演算法，追求適當操作條件下的最大電力產出。