تحلیل شکل‌موج‌ها با اسکوپ ثابت و اسکوپ شناور (Floating Scope) در سیمولینک

در فرآیند مدل‌سازی و شبیه‌سازی، مشاهده رفتار سیگنال‌ها یکی از مهم‌ترین مراحل برای بررسی صحت عملکرد سیستم است. در سیمولینک، Scope و Floating Scope از ابزارهای اصلی برای مشاهده شکل‌موج‌ها در طول زمان هستند. هر دو ابزار می‌توانند تغییرات سیگنال را در حین شبیه‌سازی نمایش دهند، اما روش اتصال و کاربرد آن‌ها با یکدیگر متفاوت است. 

اسکوپ ثابت (Scope) در سیمولینک

بلوک Scope یک ابزار نمایش مستقیم سیگنال است که به مسیر سیگنال موجود در مدل متصل می‌شود. در نتیجه، برای مشاهده یک یا چند سیگنال کافی است مسیر موردنظر به ورودی‌های Scope متصل شود.

این روش برای مدل‌های کوچک و متوسط بسیار ساده و قابل فهم است، زیرا ارتباط میان سیگنال و ابزار نمایش به‌صورت کاملاً مشخص روی نمودار مدل دیده می‌شود. Scope می‌تواند چند سیگنال را هم‌زمان نمایش دهد و برای هر سیگنال یا مجموعه سیگنال‌ها امکان تنظیم نحوه نمایش وجود دارد. 

مشاهده چند سیگنال در یک Scope

یکی از قابلیت‌های مهم Scope، امکان نمایش چند سیگنال در یک پنجره است. این قابلیت زمانی اهمیت پیدا می‌کند که بخواهیم رفتار چند متغیر مرتبط را هم‌زمان مقایسه کنیم.

همچنین می‌توان چند ناحیه نمایش یا نمودار جداگانه در یک پنجره ایجاد کرد. در این حالت، سیگنال‌های مختلف می‌توانند در بخش‌های جداگانه نمایش داده شوند و مقایسه رفتار آن‌ها در یک بازه زمانی مشترک آسان‌تر شود. 

اسکوپ شناور (Floating Scope)

Floating Scope نیز برای مشاهده سیگنال‌ها در طول شبیه‌سازی استفاده می‌شود، اما برخلاف Scope معمولی، برای دریافت سیگنال به اتصال مستقیم خط سیگنال نیاز ندارد.

در Floating Scope می‌توان سیگنال‌های موردنظر را به‌صورت تعاملی از داخل مدل انتخاب کرد. بنابراین لازم نیست برای رساندن سیگنال‌های مختلف به محل بلوک Scope، خطوط اضافی در نمودار مدل ایجاد شود. این ویژگی در مدل‌های بزرگ و سلسله‌مراتبی بسیار ارزشمند است. 

تفاوت اصلی Scope و Floating Scope

مهم‌ترین تفاوت این دو ابزار در روش دسترسی به سیگنال است. Scope معمولی از طریق خطوط متصل به ورودی‌های خود سیگنال را دریافت می‌کند، در حالی که Floating Scope می‌تواند بدون ایجاد اتصال فیزیکی، سیگنال‌های موردنظر را از بخش‌های مختلف مدل انتخاب و مشاهده کند. 

به همین دلیل، Scope برای نمایش دائمی و مشخص یک مسیر سیگنال مناسب است، در حالی که Floating Scope برای بررسی، عیب‌یابی و مشاهده موقت سیگنال‌ها در مدل‌های پیچیده انعطاف بیشتری دارد.

کاربرد Floating Scope در مدل‌های بزرگ

فرض کنید یک مدل دارای تعداد زیادی Subsystem باشد و بخواهیم چند سیگنال داخلی را بررسی کنیم. اتصال مستقیم هرکدام از این سیگنال‌ها به Scope ممکن است باعث ایجاد خطوط طولانی و متقاطع شود و خوانایی مدل را کاهش دهد.

Floating Scope این مشکل را تا حد زیادی برطرف می‌کند. سیگنال‌ها بدون انتقال فیزیکی به محل Scope انتخاب می‌شوند و بنابراین ساختار اصلی مدل تقریباً بدون تغییر باقی می‌ماند. این قابلیت مخصوصاً هنگام عیب‌یابی مدل و بررسی رفتار داخلی زیرسیستم‌ها مفید است. 

انتخاب سیگنال‌ها در Floating Scope

برای اتصال سیگنال به Floating Scope می‌توان از قابلیت انتخاب سیگنال موجود در پنجره Scope استفاده کرد. پس از فعال‌کردن حالت انتخاب، کاربر می‌تواند سیگنال‌های موردنظر را مستقیماً در محیط مدل انتخاب کند.

در نسخه‌های جدید سیمولینک، این روش جایگزین قابلیت قدیمی انتخاب چندگانه سیگنال در Floating Scope شده است و مدیریت اتصال سیگنال‌ها از طریق Signal Selector انجام می‌شود. 

تحلیل شکل‌موج و اندازه‌گیری سیگنال

Scope و Floating Scope تنها برای مشاهده ظاهری شکل‌موج‌ها نیستند. این ابزارها امکاناتی برای بررسی دقیق‌تر رفتار سیگنال نیز ارائه می‌کنند.

از جمله این امکانات می‌توان به Cursor Measurement برای بررسی مقدار سیگنال در نقاط مشخص، Trigger برای همگام‌سازی نمایش با رویدادهای خاص و برخی قابلیت‌های آماری مانند بررسی مقدار بیشینه، کمینه، میانگین و RMS اشاره کرد. برخی قابلیت‌های اندازه‌گیری پیشرفته ممکن است به محصولات یا مجوزهای تکمیلی MathWorks وابسته باشند. 

مدیریت نمایش سیگنال‌های پیوسته و گسسته

Scope می‌تواند سیگنال‌های پیوسته و گسسته را نمایش دهد و شکل نمایش نمودار را متناسب با ماهیت داده تنظیم کند. برای سیگنال‌های گسسته، نمایش پله‌ای می‌تواند تغییرات نمونه‌به‌نمونه را واضح‌تر نشان دهد، در حالی که برای سیگنال‌های پیوسته نمایش خطی معمولاً مناسب‌تر است. 

انتخاب شیوه نمایش مناسب باعث می‌شود تغییرات ناگهانی، نوسانات، پاسخ گذرا و رفتار پایدار سیستم بهتر قابل تشخیص باشند.

مدیریت داده‌های ذخیره‌شده در Scope

Scope برای نمایش شکل‌موج، بخشی از داده‌های شبیه‌سازی را در خود نگهداری می‌کند. در شبیه‌سازی‌هایی با نرخ نمونه‌برداری بالا یا زمان اجرای طولانی، این موضوع می‌تواند باعث افزایش مصرف حافظه و کاهش کارایی سیستم شود.

برای کنترل این مسئله می‌توان تعداد نقاط داده نگهداری‌شده را محدود کرد. این قابلیت به‌خصوص در مدل‌هایی که زمان شبیه‌سازی طولانی دارند یا سیگنال‌ها با نرخ بالایی نمونه‌برداری می‌شوند، اهمیت زیادی دارد. 

Scope و Floating Scope در عیب‌یابی مدل

یکی از کاربردهای مهم این ابزارها، Debugging یا عیب‌یابی مدل است. هنگامی که خروجی یک سیستم با انتظار طراح مطابقت ندارد، می‌توان شکل‌موج سیگنال‌های داخلی را بررسی کرد تا مشخص شود مشکل در کدام بخش از زنجیره پردازش ایجاد شده است.

Scope برای سیگنال‌هایی که به‌صورت دائمی باید تحت نظارت باشند گزینه مناسبی است، در حالی که Floating Scope برای بررسی موقت نقاط مختلف مدل بدون تغییر ساختار اتصالات بسیار کاربردی است. سیمولینک نیز Scope و Floating Scope را از ابزارهای اصلی مشاهده و تحلیل داده‌های شبیه‌سازی معرفی می‌کند. 

Scope و Floating Scope در مدل‌های سلسله‌مراتبی

در مدل‌های دارای Subsystemهای متعدد، انتخاب روش مناسب مشاهده سیگنال اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. Scope معمولی به دلیل اتصال فیزیکی به خطوط سیگنال ممکن است به مسیریابی بیشتری نیاز داشته باشد. در مقابل، Floating Scope می‌تواند بدون کشیدن خطوط اضافی به بسیاری از سیگنال‌های موجود در سلسله‌مراتب مدل دسترسی داشته باشد. 

به همین دلیل، استفاده ترکیبی از هر دو ابزار می‌تواند ساختار مناسبی ایجاد کند؛ Scope برای نقاط کلیدی و دائمی مدل و Floating Scope برای بررسی‌های موقت و عیب‌یابی.

جمع‌بندی

Scope و Floating Scope هر دو برای مشاهده و تحلیل شکل‌موج‌های تولیدشده در شبیه‌سازی سیمولینک استفاده می‌شوند، اما تفاوت اصلی آن‌ها در نحوه دسترسی به سیگنال‌هاست. Scope از طریق اتصال مستقیم به مسیر سیگنال کار می‌کند، در حالی که Floating Scope امکان انتخاب سیگنال‌ها را بدون ایجاد خطوط اتصال مستقیم فراهم می‌کند. 

شناخت این تفاوت به طراح کمک می‌کند برای مدل‌های ساده از ساختار مستقیم Scope و برای مدل‌های بزرگ، پیچیده و نیازمند عیب‌یابی سریع از قابلیت انعطاف‌پذیر Floating Scope استفاده کند. همچنین مدیریت حجم داده‌های ذخیره‌شده در Scope اهمیت دارد تا مشاهده شکل‌موج‌ها باعث مصرف غیرضروری منابع سیستم نشود. 

کلمات کلیدی: Scope-اسکوپ سیمولینک-Floating Scope-اسکوپ شناور-Simulink Scope-نمایش شکل موج-تحلیل سیگنال-Signal Visualization-نمایش سیگنال-Signal Monitoring-مانیتورینگ سیگنال-Simulation Data-داده شبیه‌سازی-Signal Analysis-تحلیل سیگنال-Scope Measurement-اندازه‌گیری با اسکوپ-Cursor Measurement-اندازه‌گیری نشانگر-Trigger-تریگر اسکوپ-Debugging Simulink-عیب‌یابی سیمولینک-Signal Routing-مسیریابی سیگنال-آموزش Simulink

ترسیم نمودار دو متغیره XY، نمایشگرهای عددی و توقف خودکار شبیه‌سازی در سیمولینک

در فرآیند تحلیل نتایج شبیه‌سازی، همیشه مشاهده تغییرات یک سیگنال نسبت به زمان کافی نیست. گاهی لازم است رابطه میان دو سیگنال به‌صورت مستقیم بررسی شود، مقدار عددی یک متغیر در زمان اجرا مشاهده شود یا شبیه‌سازی در صورت رخداد یک شرایط مشخص به‌طور خودکار متوقف گردد. سیمولینک برای این نیازها ابزارهایی مانند XY Graph، Display و Stop Simulation را در اختیار کاربر قرار می‌دهد. این ابزارها در گروه Sinks قرار دارند و برای نمایش، پایش و کنترل خروجی شبیه‌سازی کاربرد دارند. 

ترسیم رابطه دو سیگنال با XY Graph

بلوک XY Graph برای نمایش رابطه میان دو سیگنال استفاده می‌شود. در این نوع نمودار، یکی از ورودی‌ها به‌عنوان داده محور افقی و دیگری به‌عنوان داده محور عمودی در نظر گرفته می‌شود. بنابراین برخلاف Scope که معمولاً رفتار سیگنال را نسبت به زمان نمایش می‌دهد، XY Graph امکان بررسی مستقیم ارتباط میان دو متغیر را فراهم می‌کند. 

این قابلیت در تحلیل رفتارهای دینامیکی، بررسی مسیرهای حالت، مطالعه حلقه‌های محدود و مقایسه وابستگی دو متغیر بسیار مفید است. برای مثال، اگر دو خروجی یک سیستم به یکدیگر وابستگی داشته باشند، نمایش یکی در برابر دیگری می‌تواند الگوهایی را آشکار کند که در نمودارهای زمانی به‌سادگی قابل مشاهده نیستند.

تحول XY Graph در نسخه‌های جدید سیمولینک

در نسخه‌های جدید سیمولینک، XY Graph ساختار قدیمی خود را پشت سر گذاشته و به شکل یک پیکربندی ویژه از Record ارائه می‌شود. این نسخه علاوه بر نمایش رابطه دو سیگنال، قابلیت‌هایی برای ثبت داده، بزرگ‌نمایی، جابه‌جایی در نمودار، تنظیم محدوده نمایش و تحلیل مسیر XY فراهم می‌کند. 

همچنین داده‌های متصل به XY Graph می‌توانند به Simulation Data Inspector منتقل شوند. این موضوع باعث می‌شود تحلیل نمودار تنها به زمان اجرای شبیه‌سازی محدود نباشد و بتوان داده‌ها را برای بررسی‌های بیشتر نیز در اختیار داشت. 

تحلیل چند مسیر در نمودار XY

در کاربردهای پیشرفته‌تر، امکان نمایش چند مسیر روی نمودار XY وجود دارد. این قابلیت برای مقایسه سناریوهای مختلف یا بررسی چند رابطه میان متغیرهای یک سیستم مفید است.

همچنین ابزارهای تحلیلی مانند Cursor و Trend Line می‌توانند برای بررسی دقیق‌تر مسیر ترسیم‌شده مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین XY Graph را می‌توان علاوه بر یک نمایشگر، ابزاری برای تحلیل ارتباط میان متغیرهای شبیه‌سازی در نظر گرفت. 

نمایش مقدار عددی با Display

بلوک Display برای نمایش مقدار عددی سیگنال در هنگام اجرای شبیه‌سازی استفاده می‌شود. این ابزار برخلاف Scope که رفتار سیگنال را به شکل نمودار نمایش می‌دهد، روی مقدار عددی سیگنال تمرکز دارد.

Display می‌تواند برای سیگنال‌های اسکالر و همچنین داده‌های پیچیده‌تر مانند سیگنال‌های مختلط، برداری و ماتریسی مورد استفاده قرار گیرد. ظاهر و قالب نمایش نیز قابل تنظیم است تا اطلاعات موردنظر برای کاربر خواناتر باشد. 

کاربرد Display در پایش مدل

یکی از کاربردهای مهم Display، مشاهده سریع متغیرهای کلیدی در زمان اجرای مدل است. در هنگام عیب‌یابی، ممکن است نیازی به مشاهده شکل‌موج کامل یک سیگنال نباشد و تنها دانستن مقدار فعلی آن اهمیت داشته باشد.

به همین دلیل می‌توان Display را در نقاط مهم مدل قرار داد و مقدار سیگنال‌های حساس مانند خروجی یک محاسبه، وضعیت یک کنترل‌کننده یا مقدار یک پارامتر داخلی را به‌صورت عددی مشاهده کرد.

در مدل‌های پیچیده‌تر، Display می‌تواند همراه با سایر بلوک‌های Dashboard برای ایجاد یک محیط نظارتی و تعاملی مورد استفاده قرار گیرد. 

تفاوت Display و Scope

Scope برای بررسی رفتار سیگنال در طول زمان مناسب است، در حالی که Display بیشتر برای مشاهده مقدار فعلی سیگنال کاربرد دارد.

بنابراین این دو ابزار جایگزین یکدیگر نیستند. اگر هدف بررسی نوسان، پاسخ گذرا یا تغییرات زمانی باشد، Scope انتخاب مناسب‌تری است؛ اما اگر هدف بررسی سریع مقدار یک متغیر در حین اجرای مدل باشد، Display می‌تواند اطلاعات موردنیاز را با ساختاری ساده‌تر ارائه کند.

توقف خودکار شبیه‌سازی با Stop Simulation

بلوک Stop Simulation برای متوقف‌کردن خودکار شبیه‌سازی زمانی استفاده می‌شود که سیگنال ورودی آن غیرصفر شود. این قابلیت امکان تبدیل یک شرط مشخص در مدل به فرمان توقف شبیه‌سازی را فراهم می‌کند. 

برای نمونه، می‌توان شرایطی تعریف کرد که در صورت عبور یک متغیر از محدوده مجاز، رسیدن سیستم به یک وضعیت خاص یا فعال‌شدن یک شرط حفاظتی، سیگنال مربوطه به Stop Simulation ارسال شود و اجرای مدل پایان یابد.

توقف بر اساس یک شرط منطقی

Stop Simulation معمولاً در کنار بلوک‌های تصمیم‌گیری و مقایسه‌ای استفاده می‌شود. در چنین ساختاری، ابتدا وضعیت موردنظر توسط بخش منطقی مدل تشخیص داده می‌شود و سپس نتیجه این تشخیص به Stop Simulation منتقل می‌گردد.

در نتیجه می‌توان توقف شبیه‌سازی را از حالت کاملاً دستی خارج کرد و آن را به رفتار داخلی سیستم وابسته نمود. این روش برای آزمایش شرایط بحرانی و تعیین نقطه پایان شبیه‌سازی بسیار کاربردی است. 

تفاوت توقف خودکار با Pause

یک نکته مهم این است که Stop Simulation برای توقف شبیه‌سازی طراحی شده است و وظیفه Pause کردن آن را ندارد. هنگامی که شرط توقف برقرار شود، سیمولینک ابتدا گام زمانی جاری را تکمیل کرده و سپس شبیه‌سازی را متوقف می‌کند. 

بنابراین اگر هدف مشاهده یک وضعیت و ادامه اجرای مدل در زمان دیگری باشد، باید از قابلیت‌های مربوط به Pause و Resume استفاده کرد؛ اما اگر هدف پایان‌دادن خودکار به اجرای مدل باشد، Stop Simulation ابزار مناسب‌تری است.

ترکیب XY Graph، Display و Stop Simulation

این سه ابزار می‌توانند در یک فرآیند تحلیل مشترک مورد استفاده قرار گیرند. XY Graph رابطه میان دو متغیر را نمایش می‌دهد، Display مقدار عددی متغیرهای مهم را در اختیار کاربر قرار می‌دهد و Stop Simulation می‌تواند در صورت رسیدن سیستم به یک وضعیت مشخص، اجرای شبیه‌سازی را متوقف کند.

چنین ترکیبی برای ساخت مدل‌هایی که هم‌زمان به نمایش، پایش و کنترل فرآیند شبیه‌سازی نیاز دارند، بسیار مفید است. در این حالت، طراح می‌تواند رفتار سیستم را مشاهده کند، مقادیر کلیدی را کنترل نماید و در صورت تحقق یک شرط مشخص، اجرای مدل را به‌صورت خودکار پایان دهد.

مدیریت خروجی‌ها در تحلیل شبیه‌سازی

استفاده از ابزارهای نمایش و کنترل باید با هدف مشخص انجام شود. قرار دادن تعداد زیادی Display یا ابزارهای گرافیکی در مدل ممکن است خوانایی آن را کاهش دهد و در شبیه‌سازی‌های بزرگ نیز بر مدیریت داده‌های نمایش تأثیر بگذارد.

بهتر است سیگنال‌های مهم برای مشاهده دائمی انتخاب شوند و ابزارهای تحلیلی مانند XY Graph در نقاطی قرار گیرند که اطلاعات آن‌ها واقعاً برای ارزیابی عملکرد سیستم مورد نیاز است. برای ثبت و تحلیل گسترده‌تر داده‌ها نیز می‌توان از قابلیت‌های Logging و Record سیمولینک استفاده کرد. 

جمع‌بندی

XY Graph برای بررسی رابطه میان دو سیگنال و نمایش رفتار یک متغیر نسبت به متغیر دیگر استفاده می‌شود. Display امکان مشاهده مقدار عددی سیگنال‌ها را در زمان شبیه‌سازی فراهم می‌کند و Stop Simulation نیز اجازه می‌دهد اجرای مدل بر اساس یک شرط داخلی به‌صورت خودکار متوقف شود. 

شناخت تفاوت این ابزارها به طراح کمک می‌کند سیستم مشاهده و کنترل مدل را هدفمندتر طراحی کند؛ به‌گونه‌ای که هم روابط میان متغیرها قابل تحلیل باشند، هم مقادیر مهم در دسترس قرار گیرند و هم شرایط خاص بتوانند به‌صورت خودکار پایان شبیه‌سازی را رقم بزنند.