Scheda programma d'esame
DINAMICA DEL VOLO
EUGENIO DENTI
Anno accademico2018/19
CdSINGEGNERIA AEROSPAZIALE
Codice232II
CFU12
PeriodoAnnuale

ModuliSettoreTipoOreDocente/i
DINAMICA DEL VOLOING-IND/03LEZIONI120
EUGENIO DENTI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Il corso intende fornire allo studente le nozioni essenziali relative al comportamento dinamico del velivolo rigido, ad ala fissa, attraverso l'esame delle risposte ai comandi del pilota ed ai disturbi atmosferici. Dette risposte vengono studiate per via analitica e numerica, correlandone le caratteristiche con i parametri architetturali del velivolo e con le condizioni di volo. Obiettivo fondamentale è la familiarizzazione con le problematiche legate alle qualità di volo ed all'interazione uomo-macchina e con le relative normative e criteri di progetto. Ulteriore obiettivo è il consolidamento delle conoscenze sugli strumenti fondamentali teorici e numerici per l'analisi della dinamica dei sistemi lineari e la sintesi dei sistemi di controllo di tipo SAS e AUTOPILOTA.

Knowledge

The course aims at giving the students the essential notions concerning the dynamic behaviour of fixed wing rigid airplanes through the analysis of the response to the commands of the pilot and to atmospheric disturbances. These responses are studied by analytical and numerical methods, and their characteristics are also correlated with the architectural parameters of the airplane and the flight conditions. A key objective of the course consists in familiarising the students with the problems related to flying qualities and human-machine interactions, and with the applicable design rules and criteria. A further objective is the consolidation of the knowledge on basic methods and tools for analysing the dynamics of linear systems and the synthesis of automatic control systems (SAS and Autopilots).

Modalità di verifica delle conoscenze

Esame finale orale.

L'esame consiste in un colloquio della durata di circa un'ora. In genere una prima domanda riguarda la risposta dinamica del velivolo ai comandi del pilota od alla turbolenza atmosferica. Una seconda domanda riguarda un problema di controllo automatico applicato al modello linearizzato del velivolo.

Assessment criteria of knowledge

Final oral exam.

The exam consists of an interview lasting about an hour. Generally, a first question relates to the dynamic response of the aircraft to pilot controls or atmospheric turbulence. A second question concerns an automatic control problem applied to the linearized model of the aircraft.

Capacità

Capacità di impiego degli strumenti software disponibili nell'ambiente Matlab e Simulink per:
- simulazione numerica della risposta dinamica di sistemi lineari e non lineari
- analisi di sistemi lineari e sintesi di sistemi di controllo automatici

Skills

Ability in using the Software tools available in the Matlab and Simulink environment for:
- numerical simulation of the dynamic response of linear and non-linear systems
- analysis of linear systems and the synthesis of automatic control systems

Modalità di verifica delle capacità

Prova pratica in aula informatica per la verifica della capacità di utilizzare gli strumenti software disponibili in ambiente Matlab e Simulink. La prova potrà consistere nella realizzazione di un codice di simulazione numerica per un sistema dinamico semplice MIMO, oppure nel progetto di un sistema di controllo, di tipo SAS o autopilota, applicato al modello linearizzato della dinamica del velivolo rigido.

Assessment criteria of skills

Practical demonstration in the computer laboratory to verify the ability to use the software tools available in Matlab and Simulink environment. The test could consist in the implementation of a numeric simulation code for a simple dynamic MIMO system, or in the design of a control system, of the SAS or autopilot type, applied to the linearized model of the dynamic of the rigid aircraft.

Comportamenti

Lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di discutere i contenuti del corso utilizzando una terminologia appropriata e di affrontare problemi di dinamica e controllo del volo con maturità e rigore metodologico.

Lo studente dovrà dimostrare di conoscere gli strumenti software utilizzati nell'ambito del corso e di comprenderne le potenzialità, i limiti e gli ambiti di applicazione.

 

Behaviors

The student must demonstrate that he / she is able to discuss the course contents using appropriate terminology and to tackle problems of flight dynamics and control with maturity and methodological rigor.

The student must demonstrate that he / she knows the software tools used in the course and understands the potential, the limits and the areas of application of such tools.

Modalità di verifica dei comportamenti

Discussione durante l'esame orale.

Assessment criteria of behaviors

Discussion during the oral exam.

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Per frequentare il corso è opportuno aver frequentato precedentemente corsi di:
- Meccanica del volo
- Analisi e controllo di sistemi dinamici
allo scopo di possedere conoscenze circa l'architettura dei velivoli, le prestazioni dei velivoli ad ala fissa, strumenti matematici di base per l'analisi dei sistemi dinamici lineari (in particolare le trasformate di Laplace) e i metodi di controllo automatico di base (PID).

Prerequisites

To attend the course it is appropriate to have previously attended courses of:
- Flight mechanics
- Analysis and control of dynamic systems
in order to have knowledge about aircraft architecture, the performance of fixed-wing aircraft, the basic mathematical tools for the analysis of linear dynamical systems (in particular Laplace transforms) and basic automatic control methods (PID).

Corequisiti

È utile frequentare contemporaneamente il corso "Impianti aeronautici II".

Co-requisites

It is useful to attend at the same time the course "Aeronautical plants II".

Indicazioni metodologiche

Il corso si tiene in lingua italiana.

Il corso è costituito da 120 ore di:
- Lezioni teoriche (60%)
- Esercitazioni pratiche nel laboratorio informatico (40%)
60 ore si svolgono nel primo semestre (da fine settembre a fine dicembre)
60 ore si svolgono nel secondo semestre (da fine febbraio a fine maggio).

La frequenza delle lezioni e delle esercitazioni è altamente consigliata.
Non è possibile frequentare solo uno dei due semestri.

Teaching methods

The course is held in Italian.

It consists of 120 hours of:
- Face-to-face lessons (60%)
- Practical exercises in the computer lab (40%)
60 hours take place in the first semester (from the end of September to the end of December)
60 hours take place in the second semester (from the end of February to the end of May).

The attendance of lectures and exercises is highly recommended.
It is not possible to attend only one of the two semesters.

Programma (contenuti dell'insegnamento)

IN SINTESI

Gli argomenti includono: derivazione delle equazioni non lineari del moto del velivolo rigido ad ala fissa; applicazione della teoria delle piccole perturbazioni per la linearizzazione del modello dell'aereo; stima delle derivate aerodinamiche di stabilità; stabilità longitudinale e laterale; funzioni di trasferimento e risposta temporale agli ingressi di controllo del pilota e ai disturbi atmosferici; valutazione delle qualità di volo; metodi classici per il progetto di sistemi di controllo automatico del volo per la realizzazione di funzioni di tipo autopilota e aumento di stabilità.

Il corso prevede l'uso di strumenti software per la simulazione numerica di sistemi dinamici e per l'analisi e la sintesi di sistemi di controllo automatici. Tali strumenti sono insegnati nel laboratorio informatico.

PROGRAMMA DETTAGLIATO   Modello non lineare e trim (5 ore)
Modello non lineare della dinamica del velivolo rigido. Equazioni di equilibrio su traiettorie stazionarie: volo elicoidale, virata, volo rettilineo. Problema del trim nel caso generale di volo elicoidale stazionario. Regolazione della traiettoria mediante i comandi di volo.   Modello linearizzato (10 ore)
Linearizzazione delle equazioni del moto del velivolo in condizioni di volo rettilineo simmetrico. Linearizzazione delle forze aerodinamiche e propulsive: definizione delle derivate aerodinamiche di stabilità, dipendenza dalle variabili di perturbazione, disaccoppiamento aerodinamico ed inerziale. Derivate con apice. Inquadramento dell'approccio linearizzato nel contesto delle metodologie di progetto di sistemi di controllo automatico.
Struttura delle funzioni di trasferimento delle risposte ai comandi ed ai disturbi, importanza e significato fisico dei guadagni aerodinamici e dei guadagni statici. Approssimazione delle funzioni di trasferimento in bassa ed alta frequenza e correlazione con le risposte nel dominio del tempo.   Modelli approssimati e risposta ai comandi ed ai disturbi (30 ore)
Modelli approssimati di corto periodo, lungo periodo, rollio, dutch-roll e spirale: ipotesi di base, interpretazione fisica e deduzione di espressioni approssimate degli zeri e dei poli delle principali funzioni di trasferimento.
Risposte ai comandi nel dominio del tempo. Equilibrio del velivolo a regime e regolazione della traiettoria di regime mediante i comandi di volo (parallelo lineare – non lineare).
Ruolo del punto di manovra, condizioni di stabilità marginale e condizioni di validità del modello di cortoperiodo. Condizioni di instabilità nel lungo periodo e meccanismo fisico del tuck mode. Effetti sulla dinamica dello spostamento del baricentro. Meccanismo fisico alla base del moto spirale e della relativa stabilità o instabilità.
Modellizzazione degli effetti delle raffiche nel piano longitudinale e laterodirezionale e risposta del velivolo ai disturbi atmosferici.
 
Qualita' di volo (5 ore)
Introduzione alle qualità di volo e note storiche: requisiti sui poli ed importanza degli zeri. Requisiti regolamentari: norme MIL F 8785C, serie MIL 1779 e classificazione dei requisiti.   Il controllo automatico del velivolo (25 ore)
Sistemi di controllo automatico di tipo SAS e autopilota. Indici delle prestazioni e criteri di chiusura. Sensori ed attuatori e loro modellizzazione.
Retroazione sull'equilibratore delle seguenti variabili: angolo e velocità di beccheggio, errore di velocità, angolo di incidenza, accelerazione normale, quota. Esame delle conseguenti modificazioni del comportamento dinamico del velivolo.
Controllo dell'angolo di assetto, della quota, della velocità e della pendenza della traiettoria.
Retroazione sull'alettone delle seguenti variabili: angolo e velocità angolare di rollio, angolo di derapata. Retroazione sul comando di timone di direzione delle seguenti variabili: angolo di rotta, velocità angolare di imbardata, angolo di derapata, accelerazione laterale. Esame delle conseguenti modificazioni del comportamento dinamico del velivolo. Controllo dell'angolo di rollio. Coordinatore di virata.   Esercitazioni in aula informatica
Introduzione a Matlab (2 ore)
Simulazione della risposta dinamica di sistemi lineari e non lineari in ambiente Matlab (6 ore)
Introduzione a Simulink (2 ore)
Simulazione della risposta dinamica di sistemi lineari e non lineari in ambiente Simulink (6 ore)
Progetto di sistemi di controllo automatico di tipo SAS e autopilota applicati alla dinamica linearizzata del velivolo rigido (25 ore)
Problematiche legate alle non linearità nei controlli automatici (4 ore)

Syllabus

SUMMARY

Topics include: derivation of non-linear equations of motion of fixed wing, rigid, airplanes; application of small perturbation methods to determine the aircraft linearized model; estimation of aerodynamic stability derivatives; longitudinal and lateral stability; transfer functions and time response to pilot control inputs and atmospheric disturbances; flying qualities assessment; classical methods for closed-loop flight control systems design for stability augmentation Systems and autopilots.

The course includes the use of software tools for the numerical simulation of dynamic systems, and for the analysis and synthesis of automatic control systems. Such tools are taught in the computer laboratory.

DETAILED SCHEDULE

Non-linear model and trim (5 hours)
Non-linear model of the dynamics of the rigid aircraft. Equilibrium equations on stationary trajectories: helical flight, turn, rectilinear flight. Trim problem in the general case of stationary helical flight. Adjustment of the trajectory using the flight controls.   Linearized model (10 hours) Linearization of the equations of motion of the aircraft in symmetrical rectilinear flight conditions. Linearization of the aerodynamic and propulsive forces: definition of aerodynamic stability derivatives, dependence on the perturbation variables, aerodynamic and inertial decoupling. Primed derivatives. The role of the linearized approach in the context of the design methods of automatic control systems.
Structure of the transfer functions of the responses to commands and disturbances, importance and physical significance of aerodynamic gains and static gains. Approximation of the low and high frequency transfer functions and correlation with the time domain responses.   Approximate models and response to commands and disturbances (30 hours)
Approximate models of short period, long period, roll, dutch-roll and spiral: basic hypothesis, physical interpretation and approximate expressions of the zeros and poles of the main transfer functions.
Responses to commands in the time domain. Equilibrium of the aircraft and regulation of the steady-state trajectory by means of the flight controls.
Role of the maneuvering point, marginal stability conditions and conditions of validity of the short period model. Conditions of instability at low frequency and physical mechanism of the tuck mode. Effects on the dynamics of the displacement of the center of gravity. Physical mechanism at the base of the spiral motion and its relative stability or instability.
Modeling the effects of gusts in the longitudinal and laterodirectional plane and response of the aircraft to atmospheric disturbances.
 
Flight qualities (5 hours)
Introduction to flight qualities and historical notes: requirements on poles and importance of zeros. Regulatory requirements: MIL F 8785C, MIL 1779 series and classification of requirements.   Automatic control of the aircraft (25 hours)
Automatic control systems of SAS and autopilot type. Performance indicators and design criteria. Sensors and actuators and their modeling.
Feedback on the elevator of the following variables: angle and pitching speed, speed error, angle of incidence, normal acceleration, altitude. Examination of the consequent modifications of the dynamic behavior of the aircraft. Control of attitude angle, altitude, speed and slope of the trajectory.
Feedback on the aileron of the following variables: angle and angular rolling speed, drift angle. Feedback on the rudder of the following variables: heading angle, angular yaw rate, drift angle, lateral acceleration. Examination of the consequent modifications of the dynamic behavior of the aircraft. Rolling angle control. Turn coordinator.   Computer lab exercises
Introduction to Matlab (2 hours)
Simulation of dynamic response of linear and non-linear systems in Matlab environment (6 hours)
Introduction to Simulink (2 hours)
Simulation of dynamic response of linear and non-linear systems in Simulink environment (6 hours)
Design of automatic control systems of the SAS and autopilot type applied to the linearized dynamics of the rigid aircraft (25 hours)
Issues related to non-linearity in automatic control systems (4 hours)

Bibliografia e materiale didattico

Il materiale di studio è fornito dall'insegnante sotto forma di dispense e copie di lucidi utilizzati durante le lezioni.
Il testo di approfondimento raccomandato è:
- D. Mc Ruer, I. Ashkenas, D.Graham "Aircraft Dynamics and Automatic Control" Princeton University Press 1973.
Possibili letture di approfondimento sono:
- J.H.Blakelock "Automatic Control of Aircraft and Missiles" J.Wiley & S., 1991
- B. L. Stevens, F. L. Lewis "Aircraft Control and Simulation" Wiley, 1992
- G. Mengali "Elementi di Dinamica del Volo con Matlab" Ed. ETS, Pisa 2003
- M.V. Cook "Flight Dynamics Principles" Elsevier Ltd 2007

Bibliography

The study materials are provided by the teacher in the form of handouts and copies of transparencies used during the lessons.
The recommended in-depth text is:
- D. Mc Ruer, I. Ashkenas, D.Graham "Aircraft Dynamics and Automatic Control" Princeton University Press 1973.
Possible further readings are:
- J.H.Blakelock "Automatic Control of Aircraft and Missiles" J.Wiley & S., 1991
- B. L. Stevens, F. L. Lewis "Aircraft Control and Simulation" Wiley, 1992
- G. Mengali "Elementi di Dinamica del Volo con Matlab" Ed. ETS, Pisa 2003
- M.V. Cook "Flight Dynamics Principles" Elsevier Ltd 2007

Indicazioni per non frequentanti

Gli studenti che non frequentano possono scaricare il materiale di studio dal sito web del corso:
http://elearn.ing.unipi.it
Home ► Anno Accademico 2018/2019
  ► Corsi di Laurea Specialistica/Magistrale
   ► Ingegneria Aerospaziale
    ► Dinamica del Volo 2018/2019

Link diretto:

https://elearn.ing.unipi.it/course/view.php?id=1184
(è richiesta la registrazione preventiva)

Non-attending students info

Students who do not attend the lectures can download the study material from the course website:
http://elearn.ing.unipi.it
Home ► Anno Accademico 2018/2019
  ► Corsi di Laurea Specialistica/Magistrale
   ► Ingegneria Aerospaziale
    ► Dinamica del Volo 2018/2019

Short link :

https://elearn.ing.unipi.it/course/view.php?id=1184
(prior user registration required)

Modalità d'esame

L'esame consiste in una prova pratica finale in aula informatica della durata di circa tre ore ed in un colloquio della durata di circa un'ora che si tiene normalmente in un giorno successivo a quello della prova pratica.
(vedere più sopra "Modalità di verifica delle conoscenze" e "Modalità di verifica delle capacità")

Non esiste ripartizione specifica di punteggio tra esame orale e prova pratica. La capacità di portare a termine la prova pratica con risultati adeguati è un prerequisito per poter partecipare all'esame orale finale.

Nel mese di dicembre si terrà una prova pratica intermedia in aula informatica relativa alle attività svolte nel primo semestre e nel mese di maggio una ulteriore prova relativa alle attività svolte nel secondo semestre.
Gli studenti che avranno superato le due prove con esito positivo sono dispensati dal sostenere la parte pratica dell'esame finale.

Assessment methods

The exam consists of a final practical test in the computer lab lasting about three hours, and in an oral interview lasting about one hour, which normally takes place in the days after the practical test.
(See "Assessment criteria of knowledge" and "Assessment criteria of skills" above)

There is not a specific breakdown of score between oral examination and practical test. The capability of carrying out the laboratory practical demonstration with adequate results is a prerequisite to attend the final oral exam.

In December, an intermediate practical test will be held in the computer lab concerning the activities carried out during the first semester, and in May a further test related to the activities carried out in the second semester will be held.
Students who pass the two tests successfully are exempted from supporting the practical part of the final exam.

Pagina web del corso

https://elearn.ing.unipi.it

Note

Il giudizio complessivo medio sull'insegnamento dato in forma anonima dagli studenti al termine dell’anno accademico 2017/18 è stato di PUNTI 3,8 su 4.

Le singole domande hanno ottenuto i seguenti punteggi:

Le conoscenze preliminari possedute sono risultate sufficienti per la comprensione degli argomenti del programma d’esame?
PUNTI 3,5 su 4.

Il carico di studio dell’insegnamento è proporzionato ai crediti assegnati?
PUNTI 2,5 (1 = eccessivo; 2 =elevato; 3 = adeguato; 4 = ridotto).

Il materiale didattico (indicato e disponibile) è adeguato per lo studio della materia?
PUNTI 3,9 su 4.

Le modalità di esame sono state definite in modo chiaro?
PUNTI 3,6 su 4.

Gli orari di svolgimento di lezioni, esercitazioni e altre eventuali attività didattiche sono rispettati?
PUNTI 3,8 su 4.

Le aule in cui si svolgono le lezioni sono adeguate? (si vede, si sente, si trova posto)
PUNTI 3,9 su 4.

Il docente stimola / motiva l’interesse verso la disciplina?
PUNTI 3,9 su 4.

Il docente espone gli argomenti in modo chiaro?
PUNTI 3,8 su 4.

Le attività didattiche integrative (esercitazioni, tutorati, laboratori, etc.) sono utili all’apprendimento della materia?
PUNTI 4,0 su 4.

L’insegnamento è stato svolto in maniera coerente con quanto dichiarato sul sito Web del corso di studio?
PUNTI 3,9 su 4.

Il docente è reperibile per chiarimenti e spiegazioni?
PUNTI 4,0 su 4.

E' interessato/a agli argomenti trattati nel corso di insegnamento?
PUNTI 4,0 su 4.

Notes

The overall judgment on the teaching given anonymously by the students at the end of the academic year 2017/18 was
SCORE 3.8 out of 4.

The individual questions obtained the following scores:

The preliminary knowledge possessed were sufficient to understand the topics of the exam program?
SCORE 3.5 out of 4.

Is the teaching study load proportionate to the credits assigned?
SCORE 2.5 (1 = excessive; 2 = high; 3 = adequate; 4 = reduced).

Is the teaching material (indicated and available) adequate for the study of the subject?
SCORE 3.9 out of 4.

Were the methods of examination clearly defined?
SCORE 3.6 out of 4.

Are the hours of lessons, exercises and other educational activities respected?
SCORE 3.8 out of 4.

Are the classrooms in which the lessons are held adequate? (you can see, you hear, you find a place)
SCORE 3.9 out of 4.

Does the teacher stimulate / motivate the interest in the discipline?
SCORE 3.9 out of 4.

Does the teacher explain the topics clearly?
SCORE 3.8 out of 4.

Are additional teaching activities (tutorials, tutorials, laboratories, etc.) useful for learning the subject?
SCORE 4.0 out of 4.

Has the teaching been carried out in a manner consistent with what was stated on the course website?
SCORE 3.9 out of 4.

Is the teacher available for clarifications and explanations?
SCORE 4.0 out of 4.

Are you interested in the topics covered in the course?
SCORE 4.0 out of 4.

Ultimo aggiornamento 10/09/2018 11:02