규칙으로 배우는 임베디드 시스템 : 기초 DSP와 제어 시스템
Description
베테랑 엔지니어의 기초 DSP와
제어 시스템 개발을 위한 확실한 로드맵!
“이 책을 효과적으로 읽는 방법은 소설책 읽듯이 여러 번 반복해서 읽으면서
디지털 신호 처리(DSP)와 제어 시스템의 기본 개념이 어떻게
시스템 설계에 적용되는지 이해하는 것이다.”

이 책은 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing, DSP)와 제어 시스템의 기초 개념과 이론을 경험 규칙과 함께 다루면서, 실제 설계 및 구현의 경험을 통해 독자들이 이론을 실제로 적용하고 응용할 수 있는 능력을 키우는 것을 목표로 한다.
제어 시스템은 로봇, 차량 안전 시스템, 발전기 제어 등 다양한 응용 분야에 활용되며, 전기, 전자, 컴퓨터 공학, 기계 등 여러 학문이 밀접하게 연관된 기술이다. 하드웨어의 연산 속도 향상으로 기존아날로그 시스템의 많은 영역이 디지털 시스템으로 대체되면서, DSP와 제어 시스템은 떼어놓을 수 없는 관계가 되었다. 이 책에서는 한 권의 책 안에 아날로그 및 디지털 시스템을 함께 다루어 디지털 필터와 제어 시스템에 대해 깊이 이해할 수 있도록 하였으며, 실제 제어 시스템 구현을 통해 독자가 이론을 현실에서 응용할 수 있는 능력을 갖추도록 구성하였다.
특히, 저자가 실무 경험을 통해 꼭 필요하다고 느낀 내용을 C 코드와 MATLAB/OCTAVE 코드로 예시를 들어 설명하여, 이론에 그치지 않고 실무에 바로 적용할 수 있는 실습 중심의 학습을 제공한다.
PID 제어기 설계 및 튜닝, 필터 설계 등 다양한 주제를 통해 기초부터 실제 활용까지 전 과정을 체계적으로 학습할 수 있도록 하였다.
이 책을 통해 DSP와 제어 시스템에 대한 이론적 이해뿐 아니라, 실제 응용 분야에서 능숙하게 활용할 수 있는 실무 역량을 키우길 바란다.
저자

장선웅

저자:장선웅
1999년도충남대학교메카트로닉스학과를졸업했다.이후반도체팹리스업체에서18년동안엔지니어로근무하면서,특허청장표창을받은이력이있다.

목차


I.DSP와제어시스템기초이론
1.시스템과신호의종류
1.1.아날로그시스템과디지털시스템
1.2.선형시스템
1.3.신호의종류
2.이산시간의나이퀴스트샘플링이론
2.1.연속시간과이산시간의주파수관계
2.2.나이퀴스트샘플링이론
3.신호의주파수성분분해
3.1.시간영역과주파수영역
3.2.푸리에급수와DTFS
3.3.푸리에변환과DTFT
3.4.주파수해석도구DFT와FFT
4.시스템의출력해석
4.1.시간영역의컨볼루션
4.2.주파수영역해석의푸리에변환
4.3.연속시간의라플라스변환
4.4.이산시간의Z변환
5.전달함수
5.1.연속시간의라플라스전달함수
5.2.이산시간의Z전달함수
5.3.블록다이어그램과폐루프시스템
5.4.보드선도
6.시스템의응답특성항목
6.1.시간영역의응답특성항목
6.2.주파수영역의특성항목
6.3.구형파로보는시간과주파수영역의관계
7.라플라스전달함수의표준형식
7.1.1차표준시스템
7.2.2차표준시스템
7.3.시스템차수의간소화
8.시스템의안정성
8.1.시스템안정성판단
8.2.시스템감도와안정성
II.DSP필터시스템
1.필터시스템의특성항목과구분
1.1.필터의특성항목
1.2.필터의구분
2.디지털필터의설계
2.1.디지털필터구분
2.2.디지털필터의샘플링주파수
2.3.IIR필터간접설계
2.4.FIR필터설계
III.제어시스템설계
1.제어기설계요구사항
2.플랜트모델링및설계
2.1.DC모터의모델링
2.2.기계적모터선정
2.3.DC모터구동회로
2.4.DC모터기본구동구현
3.주파수응답측정방법
3.1.주파수응답측정순서와기초이론요약
3.2.주파수응답측정코드의구현
4.전달함수추정방법
4.1.시간영역에서의추정방법
4.2.주파수영역에서의추정방법
5.ON/OFF제어기
6.PID제어기
6.1.PID제어기의구조와특성
6.2.디지털PID제어기
6.3.루프주파수응답측정방법
7.PID제어기튜닝방식
7.1.실험적방식
7.2.수학적분석방식
7.3.주파수응답방식
7.4.PID튜닝방식적용
IV.[첨부]MATLAB/OCTAVE기초문법
1.MATLAB/OCTAVE기초사용법
1.1.기본문법
1.2.행렬사용의기초
1.3.수학연산
1.4.그래프

출판사 서평

책속에서

4.시스템의출력해석
앞에서말해왔듯이시스템해석은시스템에입력을주었을때,출력응답이어떻게나올것인가를예측하는일이라할수있다.이의수학적해석을위해서는중첩의원리를만족하는LTI선형시스템으로가정한다.
이번장에서는시스템의출력응답을계산하는수학적방식에대해살펴보게되며,주파수영역에서해석하는것이얼마나큰장점이있는지에대해이해할수있을것이다.
104쪽

5.4.4.MATLAB/OCTAVE를이용한보드선도
MATLAB/OCTAVE에는전달함수의보드선도를그리기위한bode()함수를제공한다.
bode(H,{주파수간격})
bode(H1,H2,^주파수간격`)
H는라플라스전달함수또는Z전달함수이고,인수주파수간격은생략해도된다.
[MAG,PHA,W]=bode(SYS)
위와같이그래프로그리지않고,주파수응답데이터인각각의W(각주파수)에대한MAG(크기),PHA(위상)를얻을수도있다.
가.연속시간보드선도
아래간단한1차저주파통과필터전달함수의보드선도를그리는예를보도록하자.
199쪽

2.3.2.N차저주파통과필터
필터설계를하다보면더큰감쇠를위하여1차이상의N차저주파통과필터가필요한경우가있다.
여기에서는차단주파수와특정주파수에서의목표감쇠량같은간단한스펙으로1차버터워스필터를직렬연결하여다차의디지털버터워스필터를설계하는방법을살펴보기로한다.
아래와같은N차저주파통과필터를설계해보도록하자.
301쪽

위의그림에서정방향제어는A와D스위치를ON시키고,B와C스위치를OFF시키면된다.
역방향제어를위해서는A와D스위치를OFF시키고,B와C스위치를ON시켜모터의전류가반대로흐르도록하면된다.
이때중요한것은A와B또는C와D가동시에ON됨으로써발생되는A-B또는C-D사이에슈트스루(ShootThrough)쇼트로인한과전류가흐르는것을방지해야한다는것이다.이는실제구동실수이외에도,정/역방향전환시스위칭소자의전기적ON/OFF지연으로인해일시적으로쇼트가발생할수있는데,이를방지하기위한방법은방향전환시에는A,D를OFF한후일정시간을두고B와C를ON하는것이다.
이일정시간동안은스위칭소자들이모두OFF되어있기때문에,이시간을데드타임(DeadTime)이라하며,H브릿지회로제어에서필수적으로고려되어야할사항이다.
400쪽

가.시간영역
앞서PI제어기와PD제어기의시간영역/주파수영역에서의동작을이미보았으므로,PID제어기의동작을쉽게이해할수있다.
여기에서는PID제어기의비례,적분,미분의동작에대해정리를해보도록하자.
PID제어기의비례항(Proportional)은현재오차에비례하여지연없이출력을조절한다.오차는원하는목표와현재상태사이의차이인데,오차가커지면이에비례하여제어입력도증가하게된다.비례항의이득KP가커질수록시스템의응답을빠르게할수있지만,안정성과오버슈트문제를고려해야한다.
PID제어기의적분항(Integral)은시간에대한오차의적분으로누적오차를보정한다.이런동작으로적분제어는정상상태오차를없애거나최소화할수있다.
하지만,적분항의이득KI가너무크면시스템이불안정해져오버슈트및링잉이발생할수있다.
PID제어기의미분항(Derivative)은오차의변화율에비례하여출력을조절하여,오차의빠른변화에반응하여오버슈트를줄이고시스템의안정성을향상시킬수있다.하지만,미분항의이득KD가너무커지면,고주파노이즈에민감해지며,지속적인작은진동또는소음노이즈를유발하고,기계적마모등으로인한시스템의수명을단축시킬수있다.
500쪽

1.3.2.논리연산자
논리연산자는C언어와동일하며아래와같은것들이있다.변수의로직값은0이라면false,0이아니라면true가된다.
601쪽