ディジタル計測制御

現在、家電、オーディオ機器、自動車、ロボット，生産システム、交通システムなどのあらゆる場面で、コンピュータが利用されている．このコンピュータの中では情報はディジタル化して表現され、記憶し、処理される。ところが，実世界の信号はアナログ値で出来ており、たとえば、センサも普通はアナログ信号を出力する．したがって、これをコンピュータで処理するには，まずアナログ信号をディジタル化して、次にそれを演算処理し、今度はそれをアナログ化して信号を出力する、という一連のプロセスが必要である．そのために使われるデバイスや技術、ディジタル化によってデータはどのような影響を受けるか、ディジタル化された信号の処理技術、などを扱うのが、この科目である。この授業では、とくに、いろいろなシステムの計装やロボットの制御系などの設計に必要なセンスと基礎的な知識･技術を身につけることを目的とする。そのため、AD 変換の手法や、ディジタル信号に対する基本的な演算方法、ディジタル信号の特性を解析する方法、ディジタル情報に基づいて直接アクチュエータを駆動する方法などについて、実例を示し、演習を組み合わせながら授業を進める．

本授業では、とくに、いろいろなシステムの計装やロボットの制御系などの設計に必要なセンスと基礎的な知識･技術を身につけることを目的とする。そのため、AD 変換の手法や、ディジタル信号に対する基本的な演算方法、ディジタル信号の特性を解析する方法、ディジタル情報に基づいて直接アクチュエータを駆動する方法などについて、実例を示し、演習を組み合わせながら授業を進める．

1.	アナログ信号とディジタル信号の特徴，ディジタル化のメリットや問題点などをについて，理解し説明が出来るようになる。
2.	アナログ信号をディジタル化して取り扱うときに必要なサンプリングレートや量子化のビット数を設計出来るようになる。
3.	センサ信号をAD変換し、演算処理して，アクチュエータを駆動するまでの一連の流れを理解し、コンピュータを使った制御系の構成法を身につける。
4.	ディジタル化されたデータに対する演算処理としての、ディジタルフィルタとディジタルフーリエ変換の理論と手法を理解し、それについて必要な数式をC言語のプログラムとして記述できるようになる。

	【授業計画】	【授業時間外課題（予習および復習を含む）】
1.	アナログ信号とディジタル信号・　授業の目的、アナログ信号、信号とシステム、情報処理と信号処理、アナログ信号のディジタル化	［予習］：世の中でアナログ信号がディジタル化されて扱われている例を10通り考える
2.	アナログ信号とディジタル信号の変換・　DA変換とA/D変換、逐次比較型AD変換器の構成、その他のAD変換器の原理、DA変換の手法	［予習］：何通りかのAD変換とDA変換の手法について調べる。逐次型AD変換の回路構成を調べる。
3.	量子化とサンプリング、サンプリング周波数とサンプリング定理・　量子化とサンプリング（離散化）、サンプリング周波数とサンプリング定理、量子化による誤差、信号の周波数成分とサンプリングによる誤差	［予習］：サンプリング定理について調べる。［復習課題］：・　ディジタル化により必然的に発生する誤差の要因をまとめよ。
4.	フーリエ級数とフーリエ変換・　フーリエ級数、フーリエ変換、フーリエ変換の性質	［予習］：フーリエ級数について復習しておく。・　フーリエ変換とパワースペクトルについて調べよ。
5.	離散フーリエ変換（DFT）による信号解析・　離散フーリエ変換（DFT）、逆変換、信号の区間とサンプリング周期、エリアジング	［復習課題］・　いくつかの信号について、フーリエ変換し、その周波数成分を計算する。
6.	高速フーリエ変換（FFT）・　FFT、FFTの計算量、窓関数、信号の周波数特性、オーバサンプリングと補間。	［復習課題］・　FFTのサンプルプログラムを見つけて読んでみる。・　窓関数の効果を検討する。
7.	プログラミング演習—DFTプログラム・　離散フーリエ変換のプログラムをC言語にてコーディングする。	［予習］：離散フーリエ変換を復習しておく。C言語の基礎を復習しておく。
8.	ディジタルフィルタの基礎・　ディジタルフィルタの構成、移動平均、たたみ込みと積和計算、線形差分方程式	［予習］：移動平均の効果を考える。たたみ込みとは何かを調べる。
9.	ｚ変換、ディジタルフィルタの伝達関数、周波数応答・　z変換、IIRフィルタとFIRフィルタ	［予習］：Z変換の定義について調べておく。
10.	プログラミング演習—積和演算・　積和演算のプログラムをC言語にてコーディングする。	［予習］：積和演算を復習しておく。C言語の基礎を復習しておく。
11.	極配置と安定性、ディジタルフィルタの設計仕様・　z平面における極配置と安定性、設計仕様のパラメータ	［予習］：ローパスフィルタとハイパスフィルタ、バンドパスフィルタについて、その働きを調べておく。
12.	ディジタルフィルタの設計—IIRフィルタの間接設計・　IIRフィルタの周波数特性、アナログプロトタイプフィルタ、インパルス不変変換法、双１次変換法	［予習］：IIRフィルタについて復習しておく。
13.	ディジタル制御系の設計—状態方程式に基づく設計・　制御システムの構成、動作の決定、フィードフォワード制御とフィードバック制御、離散制御システムの理論	［予習］フィードフォワード制御系とフィードバック制御系の各々についての性質と特長を調べる。
14.	ディジタル制御系の設計（２）—状態フィードバック、最適レギュレータ、ディジタルサーボ系の設計・　最適レギュレータ、ディジタルサーボ系の設計	［予習］レギュレータ、サーボについて調べる。
15.	ディジタル計測・制御システムの実例調査発表・　ロボットの制御システム、センサとアクチュエータ、なぜディジタル化が重要かを考えながら、実例を調べ、その構成とディジタル化の特徴についてまとめ、調査発表する．	［予習］インターネットなどを利用して、産業用ロボットやディジタルシステムについて、仕組みや信号の流れについて調べ、まとめる．

【評価方法】授業中の演習課題および２回のレポート（60％）、最終調査プレゼン（40%）により評価する。評価点60点以上を合格とする。

必要に応じて、プリントなど資料を配布する。
参考文献としては、たとえば、
「ディジタル信号処理　第２版」、萩原将文、森北出版株式会社
「MATLAB対応ディジタル信号処理」、樋口龍雄、川又政征共著、森北出版株式会社
「ビギナーズデジタル信号処理」、中村尚五、東京電機大学出版局
「信号処理論」、牧川方昭、コロナ社
など

（必須）数学の各科目の内容を思い出しておくこと。
（必須）C言語によるプログラミングが出来るよう準備しておくこと。
（任意）フーリエ変換について復習しておくこと。
（任意）ＡＤ変換について，過去に行なった実験テキストを復習しておくこと。

1.	D3:ハードウェアとソフトウェアを包含する複雑な電気・電子デバイス、システムの解析と設計に必要な知識を駆使することにより、与えられた課題を解決できる。

・	原則として、講義終了後に質問を受ける。
・	それ以外の時間は電子メールでアポイントを取って下さい。
・	簡単な質問は電子メールで随時受け付ける。

環境に関連しない科目

地域志向ではない科目

・	対自己基礎力を育成する科目

能動的な学修への参加を取り入れた授業が1コマ分以上

D3:ハードウェアとソフトウェアを包含する複雑な電気・電子デバイス、システムの解析と設計に必要な知識を駆使することにより、与えられた課題を解決できる。

最終更新 : Thu Jun 09 09:11:38 JST 2016

開講部	工学部
開講学科	電気工学科
開講学年	3年次
開講時期	後期
単位数	2
単位区分	選択
系列区分	専門
講義区分	講義
教育目標	D3

E0733500

授業の概要

授業の目的

達成目標

授業で使用する言語

授業計画

評価方法と基準

教科書・参考書

履修登録前の準備

学習・教育到達目標との対応

オフィスアワー、質問・相談の方法

環境との関連

地域志向

社会的・職業的自立力の育成

アクティブ・ラーニング科目

授業の到達目標と各学科の学習・到達目標との対応