نظرة عامة على MATLAB
MATLAB هو لغة برمجة عالية الأداء للحوسبة التقنية The Language of Technical Computing. إنه يدمج الحساب والتصوير المرئي والبرمجة في بيئة سهلة الاستخدام حيث يتم التعبير عن المشاكل والحلول في تدوين رياضي مألوف. تشمل الاستخدامات النموذجية لـ MATLAB ما يلي:
- الرياضيات والحساب
- تصميم وتطوير الخوارزميات
- الحصول على البيانات
- النمذجة والمحاكاة
- تحليل البيانات والاستكشاف والتصوير المرئي
- الرسومات العلمية والهندسية
- تطوير التطبيقات، بما في ذلك بناء واجهة المستخدم الرسومية
MATLAB هو نظام تفاعلي، والذي يكون عنصر بياناته الأساسي عبارة عن مصفوفة Matrix لا تتطلب أبعادًا. يتيح لك ذلك حل العديد من مشكلات الحوسبة التقنية، خاصة تلك التي تحتوي على مصفوفات وصيغ متجهة، في جزء صغير من الوقت الذي تستغرقه لكتابة برنامج بلغة غير تفاعلية مثل C أو Fortran.
يرمز اسم MATLAB إلى اختصار Matrix Laboratory (مختبر المصفوفة). تمت كتابة MATLAB في الأصل لتوفير وصول سهل إلى برنامج المصفوفة الذي تم تطويره بواسطة مشروعي LINPACK وEISPACK. اليوم، تشتمل محركات MATLAB على مكتبات LAPACK وBLAS، لتضمين أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا في البرمجيات الخاصة بحساب المصفوفة.
تطورت MATLAB على مدى سنوات مع مدخلات من العديد من المستخدمين. في البيئات الجامعية، تعتبر الأداة التعليمية القياسية للدورات التمهيدية والمتقدمة في الرياضيات والهندسة والعلوم. في الصناعة، تُعد MATLAB الأداة المفضلة للبحث والتطوير والتحليل عالي الإنتاجية.
تتميز MATLAB بمجموعة من الحلول الإضافية الخاصة بالتطبيقات تسمى صناديق الأدوات Toolboxes. وهذه الإضافات مهمة جدًا بالنسبة لمعظم مستخدمي MATLAB، فهي تتيح تعلم وتطبيق التكنولوجيا المتخصصة. Toolboxes عبارة عن مجموعات شاملة من وظائف أو دوال ماتلاب MATLAB Functions أو ملفات M-Files التي تعمل على توسيع بيئة MATLAB لحل فئات معينة من المشكلات. تشمل المجالات التي تتوفر فيها صناديق الأدوات Toolboxes معالجة الإشارات وأنظمة التحكم والشبكات العصبية والمنطق الضبابي والموجات والمحاكاة وغيرها الكثير.
نظام MATLAB
يتكون نظام MATLAB من الأجزاء الرئيسية التالية:
أدوات سطح المكتب وبيئة التطوير
هذه هي مجموعة الأدوات والتسهيلات التي تساعدك على استخدام وظائف وملفات MATLAB. العديد من هذه الأدوات عبارة عن واجهات مستخدم رسومية. يتضمن MATLAB سطح المكتب ونافذة الأوامر، وسجل الأوامر، ومحرر ومصحح الأخطاء، ومحلل التعليمات البرمجية وتقارير أخرى، ومتصفحات لعرض التعليمات، ومساحة العمل، والملفات، ومسار البحث.
مكتبة الدوال الرياضية
هذه مجموعة كبيرة من الخوارزميات الحسابية تتراوح من الدوال الأولية، مثل الجمع والجيب وجيب التمام والحساب المعقد، إلى وظائف أكثر تعقيدًا مثل معكوس المصفوفة وقيم المصفوفة الذاتية ووظائف بيسل وتحويلات فورييه السريعة.
لغة برمجة MATLAB
لغة برمجة MATLAB هي لغة مصفوفات عالية المستوى مع بيانات تدفق التحكم والوظائف وهياكل البيانات والإدخال / الإخراج وميزات البرمجة الموجهة للكائنات. يسمح لكل من “البرمجة على المستوى الصغير” بإنشاء برامج التخلص السريع بسرعة، و”البرمجة على نطاق واسع” لإنشاء برامج تطبيقات كبيرة ومعقدة.
الرسومات Graphics
تمتلك MATLAB تسهيلات واسعة النطاق لعرض المتجهات والمصفوفات كرسم بياني، بالإضافة إلى شرح وطباعة هذه الرسوم البيانية. يتضمن وظائف عالية المستوى لتصور البيانات ثنائي الأبعاد وثلاثي الأبعاد ومعالجة الصور والرسوم المتحركة ورسومات العرض. يتضمن أيضًا وظائف منخفضة المستوى تسمح لك بالتخصيص الكامل لمظهر الرسومات بالإضافة إلى إنشاء واجهات مستخدم رسومية كاملة على تطبيقات MATLAB الخاصة بك.
واجهات MATLAB الخارجية
هذه مكتبة تسمح لك بكتابة برامج C وFortran التي تتفاعل مع MATLAB. يتضمن تسهيلات لاستدعاء إجراءات من MATLAB (الارتباط الديناميكي)، واستدعاء MATLAB كمحرك حسابي، ولقراءة ملفات MAT وكتابتها.
مجالات استخدام MATLAB
- الفضاء والطيران والدفاع الجوي Aerospace and Defense: تصميم ومحاكاة واختبار ونشر أنظمة السلامة والمهمات الحرجة، أنظمة الفضاء، أنظمة الرادار، أنظمة الغواصات ذاتية القيادة
- المركبات Automotive: تصميم ومحاكاة ونشر منظومة النقل في المستقبل، القيادة الآلية، المركبة الافتراضية، المركبة الكهربائية، قوالب المركبات الآلية
- التكنولوجيا الحيوية والصناعات الدوائية Biotech and Pharmaceutical: تطوير الخوارزميات ومعالجة البيانات وتصميم الأجهزة وأداء النمذجة والمحاكاة لاكتشاف الأدوية واللقاحات وتطويرها
- مجال الاتصالات Communications: تصميم ومحاكاة أنظمة الاتصالات
- الإلكترونيات Electronics: تطوير ومحاكاة واختبار الأنظمة والأجهزة الإلكترونية
- إنتاج الطاقة Energy Production: تطوير النماذج وتنفيذها وتحليل البيانات الضخمة وأتمتة العمليات، المرافق والطاقة، الكيماويات والبتروكيماويات، النفط والغاز
- الأتمتة الصناعية والآلات Industrial Automation and Machinery: تطوير تطبيقات التحكم ومعالجة الإشارات المضمنة للمعدات الصناعية والمتعلقة بالطاقة، معدات توليد ونقل الطاقة، بناء الآلات، التشغيل الآلي للمبنى، المحركات الكهربائية ومكونات الأتمتة
- الأجهزة الطبية Medical Devices: تصميم ومحاكاة وبناء أجهزة طبية من الجيل التالي مع تسريع الامتثال التنظيمي، تطوير الأجهزة الطبية، التحقق من صحة برامج FDA، تحليل البيانات الطبية الحيوية وتطوير الخوارزميات، مراقبة المريض
- المعادن والمواد والتعدين Metals, Materials, and Mining: تحليل بيانات المستشعرات وتنفيذ استراتيجيات التحكم وإنشاء أنظمة الصيانة التنبؤية
- المالية وإدارة المخاطر Finance and Risk Management: استيراد البيانات وتطوير الخوارزميات وتصحيح البرمجة وزيادة قوة المعالجة، تعلم الآلة في الإدارة المالية، بناء نماذج إدارة المخاطر، البنوك المركزية
- أنظمة السكك الحديدية Railway Systems: نمذجة ومحاكاة وتحسين تطبيقات وأنظمة السكك الحديدية
- أشباه الموصلات Semiconductors: تصميم أجهزة الإشارات التناظرية والرقمية والمختلطة
- البرمجيات والإنترنت Software and Internet: استكشاف البيانات وتحليلها وتطوير الخوارزميات ونشر التطبيقات للبرامج وأنظمة الإنترنت
- الخدمات الفنية والاستشارات Technical Services and Consulting: تحليل وتصميم الأنظمة والتطبيقات، وخدمة البرامج الهندسية والعلمية المتنوعة، الخدمات الفنية، مراكز البحوث والمعاهد الحكومية
- العلوم البيولوجية Biological Sciences: نمذجة ومحاكاة وتحليل النظم البيولوجية
- علوم الأرض والمحيطات والغلاف الجوي Earth, Ocean, and Atmospheric Sciences: تحليل وفهم الاتجاهات الجيولوجية المعقدة
- علم الأعصاب Neuroscience: معالجة البيانات وتحليلها، وإجراء التجارب، ومحاكاة نماذج دوائر الدماغ
- الفيزياء Physics: التحكم في التجارب والحصول على البيانات وتحليلها والمقارنة مع المحاكاة
التطبيقات العملية لـ MATLAB
- أنظمة القيادة الآلية Automated Driving Systems: تصميم ومحاكاة واختبار أنظمة القيادة الآلية
- علم الأحياء الحسابي Computational Biology: تحليل وتصوير ونمذجة البيانات والأنظمة البيولوجية
- أنظمة التحكم Control Systems: تصميم واختبار وتنفيذ أنظمة التحكم
- علم البيانات Data Science: استكشاف البيانات، بناء نماذج التعلم الآلي، تنفيذ التحليلات التنبؤية
- التعلم العميق Deep Learning: إعداد البيانات وتصميمها ومحاكاة ونشر الشبكات العصبية العميقة
- الأنظمة المضمنة Embedded Systems: التصميم، الترميز، والتحقق من الأنظمة المضمنة
- المشاريع وأنظمة تكنولوجيا المعلومات Enterprise and IT Systems: استخدم MATLAB مع أنظمة تكنولوجيا المعلومات الخاصة بك
- أتمتة سير العمل FPGA وASIC وSoC: أتمتة سير العمل، من تطوير الخوارزمية إلى تصميم الأجهزة والتحقق منها
- معالجة الصور والرؤية الحاسوبية Image Processing and Computer Vision: اكتساب ومعالجة وتحليل الصور والفيديو لتطوير الخوارزميات وتصميم النظام
- إنترنت الأشياء Internet of Things: توصيل الأجهزة المضمنة بالإنترنت واكتسب نظرة ثاقبة من بياناتك
- التعلم الآلي Machine Learning: تدريب النماذج وضبط المعلمات ونشرها في الإنتاج أو للاستخدام النهائي
- ميكاترونكس Mechatronics: تصميم أنظمة ميكاترونيك وتحسينها والتحقق منها
- أنظمة الإشارات المختلطة Mixed-Signal Systems: تحليل وتصميم والتحقق من أنظمة الإشارات التناظرية والمختلطة
- تصميم التحكم في إلكترونيات الطاقة Power Electronics Control Design: تصميم وتنفيذ التحكم الرقمي للمحركات ومحولات الطاقة وأنظمة البطاريات
- تحليل وتصميم أنظمة الطاقة Power Systems Analysis and Design: تصميم ومحاكاة الشبكات الكهربائية وأنظمة النقل
- الصيانة الوقائية Predictive Maintenance: تطوير ونشر مراقبة الحالة وبرامج الصيانة التنبؤية
- علم الروبوتات Robotics: تصميم ومحاكاة والتحقق من الروبوتات والأنظمة المستقلة
- معالجة الإشارات Signal Processing: تحليل الإشارات وبيانات السلاسل الزمنية. نمذجة وتصميم ومحاكاة أنظمة معالجة الإشارات
- الاختبار والقياس Test and Measurement: الحصول على البيانات وتحليلها واستكشافها وأتمتة الاختبارات
- الاتصالات اللاسلكية Wireless Communications: إنشاء وتصميم واختبار والتحقق من أنظمة الاتصالات اللاسلكية
قدرات MATLAB
يستخدم ملايين المهندسين والعلماء في جميع أنحاء العالم MATLAB® لتحليل وتصميم الأنظمة والمنتجات التي تغير عالمنا. تُعد لغة MATLAB القائمة على المصفوفة الطريقة الأكثر طبيعية في العالم للتعبير عن الرياضيات الحسابية. تسهل الرسومات المضمنة تصور البيانات واكتساب الرؤى منها. تدعو بيئة سطح المكتب إلى التجريب والاستكشاف والاكتشاف. تم اختبار أدوات وقدرات MATLAB هذه بدقة وتصميمها للعمل معًا.
يساعدك MATLAB على نقل أفكارك إلى ما وراء سطح المكتب. يمكنك تشغيل تحليلاتك على مجموعات بيانات أكبر، وتوسيع نطاق المجموعات والسحب. يمكن دمج كود MATLAB مع لغات أخرى، مما يتيح لك نشر الخوارزميات والتطبيقات داخل أنظمة الويب والمؤسسات ونظم الإنتاج المختلفة.
وتشتمل القدرات التي يوفرها MATLAB على كل من:
- الحوسبة السحابية Cloud Computing
- محاكاة الأحداث المنفصلة Discrete-Event Simulation
- توليد التعليمات البرمجية المضمنة Embedded Code Generation
- حوسبة GPU Computing
- دعم الأجهزة Hardware Support
- التصميم القائم على النموذج Model-Based Design
- نشر النموذج Model Deployment
- الحوسبة المتوازية Parallel Computing
- النمذجة الفيزيائية Physical Modeling
- المحاكاة والاختبار اللحظي Real-Time Simulation and Testing
- إنشاء التقارير Report Generation
- هندسة النظم Systems Engineering
- التحقق والاختبار Verification, Validation, and Test
- نشر الويب وسطح المكتب Web and Desktop Deployment
المصدر
- كتاب بيئة البرمجة والتطوير MATLAB، الإصدار 6.0. د. م. مصطفى عبيد، الطبعة الأولى، 2022.
