Scheda programma d'esame
AEROSPACE DYNAMIC SYSTEMS ANALYSIS
GIANPIETRO DI RITO
Anno accademico2018/19
CdSINGEGNERIA AEROSPAZIALE
Codice751II
CFU6
PeriodoPrimo semestre
LinguaInglese

ModuliSettoreTipoOreDocente/i
AEROSPACE DYNAMIC SYSTEMS ANALYSISING-IND/05LEZIONI60
GIANPIETRO DI RITO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Alla fine del Corso, lo studente sarà in possesso di un'approfondita conoscenza, sia teorica che pratica, delle tecniche più utilizzate nell'analisi dei sistemi dinamici Multiple-Input-Multiple-Output in "anello aperto" (teoria classica dei controlli, rappresentazione in spazio di stato, analisi nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza). Lo studente maturerà specifiche conoscenze relative alla modellazione e la definizione delle caratteristiche di stabilità e prestazione di sistemi dinamici, con particolare attenzione a casi di applicazione aerospaziale. Lo studente acquisirà inoltre una conoscenza di base delle funzionalità del software Matlab-Simulink per l'analisi e la simulazione numerica di sistemi dinamici.

Knowledge

At the end of the Course, the student will possess an in-depth knowledge, in both theoretical and practical terms, of the standard tecniques for the analysis of "open-loop" Multiple-Input-Multiple-Output dynamic systems (i.e. classical control theory, state-space approach, time-domain and frequency-domain analyses). The student will acquire a specific knowledge in the modelling and the stability/performance characterisation of dynamic systems, with particular attention to aerospace case studies. The student will also gain a basic knowledge of the Matlab-Simulink CAE tools for the analysis and the numerical simulation of dynamic systems.

Modalità di verifica delle conoscenze

La verifica delle conoscenze acquisite sarà realizzata in occasione delle sessioni d'esame, prima mediante la valutazione di un elaborato scritto, in cui si richiede allo studente di risolvere alcuni tipici problemi di analisi di sistemi dinamici, e poi mediante un colloquio con il docente, nel corso del quale vengono in particolar modo valutate le conoscenze in ambito teorico e metodologico.

Assessment criteria of knowledge

The verification of the knowledge acquired during the course will be performed during the final exam, firstly by evaluating a written report, in which the student is required to solve typical problems of dynamic systems analysis, and then by an oral discussion with the teacher, in which the attention will be also focused on theoretical and methodological concerns.

Capacità

 Alla fine del Corso, lo studente avrà la capacità di:

- analizzare e ridurre problemi dinamici rappresentati da sistemi di equazioni differenziali ordinarie, mediante l'applicazione di tecniche di linearizzazione e concetti di separazione dei tempi di scala ("separazione in frequenza")

- sviluppare una rappresentazione in spazio di stato di un problema dinamico

- sviluppare diagrammi di simulazione sia per sistemi Lineari-Tempo-Invarianti (LTI) che per sistemi nonlineari

- determinare le funzioni di trasferimento di sistemi LTI

- valutare la stabilità interna ed esterna di sistemi dinamici

- valutare le prestazioni dinamiche di un sistema

- caratterizzare la dinamica di sistemi LTI "notevoli" (sistemi del prim'ordine, sistemi del second'ordine con e senza zeri, ecc.)

- modellare fenomeni nonlineari di tipo on-off

Skills

 At the end of the course, the student will possess the capability of:

- analysing and reducing Ordinary-Differential-Equation problems, by applying linearisation techniques and time-scale separation concepts ("frequency separation")

- developing a state-space representation of a dynamic problem

- developing simulation diagrams, for both LTI and nonlinear systems

- determining the transfer functions of LTI systems

- assessing both internal and external stability of dynamic systems

- assessing the dynamic performances of a system

- characterising the dynamics of relevant LTI case studies (first-order systems, second-order systems with or without zeros, etc.)

- modelling on-off nonlinearities

Modalità di verifica delle capacità

La verifica delle capacità acquisite sarà realizzata in occasione delle sessioni d'esame, prima mediante la valutazione di un elaborato scritto, in cui si richiede allo studente di risolvere alcuni tipici problemi di analisi di sistemi dinamici, e poi mediante un colloquio orale con il docente.

Assessment criteria of skills

The verification of the knowledge acquired during the course will be performed during the exam sessions, firstly by evaluating a written report, in which the student is required to solve typical problems of dynamic systems analysis, and then by an oral discussion with the teacher.

Comportamenti

Alla fine del Corso, lo studente potrà acquisire una specifica attitudine all'osservazione, la comprensione e lo studio di fenomeni dinamici, con particolare riferimento alle applicazioni d'interesse per l'ingegneria del controllo.

Behaviors

At the end of the Course, the student will acquire a specific attitude for the observation, the understanding and the study of dynamic pnenomena, with particular reference to control engineering applications.

Modalità di verifica dei comportamenti

La verifica delle attitudini maturate dallo studente sarà realizzata in occasione delle sessioni d'esame, prima mediante la valutazione di un elaborato scritto, in cui si richiede allo studente di risolvere alcuni tipici problemi di analisi di sistemi dinamici, e poi mediante un colloquio orale con il docente.

Assessment criteria of behaviors

The verification of the attitudes acquired during the course will be performed during the exam sessions, firstly by evaluating a written report, in which the student is required to solve typical problems of dynamic systems analysis, and then by an oral discussion with the teacher.

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Per uno studio proficuo ed efficace degli argomenti trattati nel corso, lo studente dovrà essere in possesso di solide conoscenze/capacità nei campi dell'analisi matematica e dell'algebra lineare, e potrà inoltre beneficiare di eventuali abilità informatiche o esperienze di laboratorio con attività di raccolta/analisi misure, svolte precedentemente all'inizio del corso.

Prerequisites

In order to conduct a fruitful and effective study of the course topics, the student shall possess solid knowledge and skills in calculus and linear algebra, and he/she can also benefit from information technology skills or laboratory activities on data logging and measurements analysis, which have been carried out before the starting of the course.

Indicazioni metodologiche

Il corso si svolge mediante lezioni frontali, con ausilio di slides. Le esercitazioni vengono svolte in aula mediante la soluzione di problemi tipici, alla lavagna da parte del docente e con il coinvolgimento diretto degli studenti. Sono inoltre previste una serie di esercitazioni in laboratorio informatico, in cui gli studenti vengono organizzati in coppie e ad ogni coppia viene assegnato un PC del laboratorio, in modo da utilizzare, in modo interattivo, codici e strumenti Matlab-Simulink per la modellazione, l'analisi e la simulazione numerica di sistemi dinamici.

Il sito elearning del corso è utilizzato per le comunicazioni docente/studenti e per consentire agli studenti di scaricare tutti i materiali didattici (slides, codici Matlab, modelli Simulink, esercizi e soluzioni). Il sito è inoltre utilizzato per la pubblicazione delle soluzioni delle prove scritte d'esame.

L'interazione docente-studenti è realizzata fissando un orario di ricevimento per i colloqui con il docente, e viene anche data la disponibilità di fissare appuntamenti specifici previo contatto mediante posta elettronica.

Il corso è interamente svolto in lingua inglese.

Teaching methods

The course is developed via "face-to-face" lessons with the support of slides. The practical works are carried out in the classroom by solving typical problems at the blackboard by the teacher, with the active participation of the students. A set of practical lessons are also carried out in the PC lab, where the students are arranged in couples and a PC is given to each couple, to let the students interactively use Matlab-Simulink codes and tools for the modellling, the analysis and the numerical simulation of dynamic systems.

The "elearning" site of the course is used for the teacher/students communications as well as to allow the download of all educational materials (slides, Matlab codes, Simulink models, exercises and solutions). The site is also used for the publication of the solutions of the written exam tests.

The teacher-students direct interaction is obtained via a permanent timetable reception day, and also via personal appointments, provided that the student contacts the teacher via e-mail.

The course is entirely held in English language.

Programma (contenuti dell'insegnamento)

Il corso mira a fornire una conoscenza approfondita delle tecniche per la modellazione, l'analisi e la caratterizzazione di stabilità/prestazioni di sistemi dinamici "in anello aperto". Vengono illustrate le tecniche di linearizzazione di sistemi rappresentati da problemi ODE, la teoria classica dei controlli (trasformata di Laplace e funzioni di trasferimento) e le rappresentazioni in spazio di stato, con un'attenzione particolare a casi di applicazione aerospaziale. Una parte del corso è inoltre dedicata all'uso di Matlab-Simulink per l'analisi e la simulazione numerica di sistemi dinamici. I principali argomenti trattati nel corso sono:

  • Introduzione ai sistemi dinamici controllati in retrazione
    • Esempi di applicazione
    • Architettura e principali elementi di un sistema controllato in retrazione
    • Definizione del problema del controllo
  • Proprietà fondamentali dei sistemi dinamici (concetti di stato e variabili di stato, causalità, linearità, tempo-invarianza)
  • Risposta di un sistema lineare mediante integrale di convoluzione
  • Linearizzazione di un sistema
    • Definizione di punto di equilibrio
    • Linearizzazione nell'intorno del punto di equlibrio (principio delle piccole perturbazioni)
  • Trasformata di Laplace
    • Definizione e proprietà
    • Trasformata inversa di Laplace
    • Trasformata di Laplace di funzioni notevoli
    • Trasformata di Laplace di funzioni con operatori matematici (derivata, integrale, convoluzione, time-shift)
  • Analisi di sistemi LTI mediante la trasformata di Laplace
    • Concetto di funzione di trasferimento
    • Decomposizione in fratte semplici
    • Teorema del valore finale
    • Teorema del valore iniziale
  • Caratterizzazione della risposta di sistemi notevoli LTI SISO
    • Risposta di un sistema del prim'ordine
    • Risposta di un sistema del second'ordine
    • Effetto di uno zero nella risposta di un sistema del second'ordine
    • Effetto di poli aggiuntivi nella risposta di un sistema del second'ordine
  • Sistemi LTI in spazio di stato e sistemi MIMO
    • Diagrammi di simulazione
    • Rappresentazioni in forma canonica
    • Matrice di transizione di stato
    • Risposta nel tempo di un sistema in spazio di stato
    • Soluzione di sistemi LTI MIMO mediante matrice di funzioni di trasferimento
    • Corrispondenza fra autovalori della matrice di stato e poli del sistema
    • Trasformazioni di similarità, forma modale e sistemi algebricamente equivalenti
  • Sistemi tempo-varianti in spazio di stato
  • Stabilità di sistemi LTI e criterio di Routh
  • Riduzioni di modello, dinamiche dominanti e approssimazioni di bassa/alta frequenza
  • Analisi di sistemi dinamici con Matlab-Simulink
    • Strumenti per analisi di sistemi LTI
    • Simulazione numerica di sistemi nonlineari
Syllabus

The Course aims to provide an in-depth knowledge of the standard techniques for the modelling, the analysis and the stability/performance characterisation of open-loop dynamic systems. ODE problems linearization, classical control theory (Laplace transforms and transfer functions) and state-space approaches are presented, with particular reference to aerospace case studies. A part of the Course is also dedicated to the use of Matlab-Simulink CAE tools for the simulation and analysis of dynamic systems.

The main topics and the general structure of the Course are described in the following:

  • Introduction to the feedback control
    • Control systems applications
    • Architecture and main elements of a feedback control system
    • The control problem definition
  • Basic properties of dynamic systems (concepts of state and state variables, causality and linearity, time-invariant systems)
  • Response of a LTI system via convolution integral
  • System linearization
    • Equilibrium point definition
    • Linearization around an equilibrium configuration (small-perturbations principle)
  • Laplace transform
    • Definition and properties
    • Inverse Laplace transform
    • Laplace transforms of basic functions
    • Laplace transforms of basic operators (derivative, integral, convolution, time-shift)
  • Analysis of LTI systems by using the Laplace transform
    • Concept of transfer function
    • Partial fraction decomposition
    • Final value theorem
    • Initial value theorem
  • Characterisation of relevant LTI SISO systems response
    • First-order system response
    • Second-order system response
    • Effect of a zero on a second-order system response
    • Effect of additional poles on the time response
  • LTI systems in state-space form and MIMO systems
    • Simulation diagrams
    • Canonical forms
    • State transition matrix
    • Time response of a LTI system in state variable form
    • Solution of LTI systems with the transfer matrix
    • Correspondence between state matrix eigenvalues and system poles
    • Similarity transformation, modal form and algebraically equivalent LTI systems
  • State-space representaion of linear time-variant systems
  • Dynamic systems stability and the Routh’s criterion
  • Model reduction, dominant dynamics and low/high frequency approximations
  • Dynamic systems analysis with Matlab-Simulink
    • Tools and codes for LTI systems analysis
    • Numerical simulation of nonlinear systems
Bibliografia e materiale didattico
  • Ogata K., "Modern Control Engineering", Prentice Hall, 2010 (http://aleph-sba.unipi.it).
  • Franklin G.F., Powell D.J. and Emami-Naeini A. , "Feedback Control of Dynamic Systems", Pearson, 2015 (http://aleph-sba.unipi.it).
  • Di Rito G., Lecture notes of the course “Aerospace Dynamic Systems Analysis” (http://elearn.ing.unipi.it/)

 

Bibliography

 

  • Ogata K., "Modern Control Engineering", Prentice Hall, 2010 (http://aleph-sba.unipi.it).
  • Franklin G.F., Powell D.J. and Emami-Naeini A. , "Feedback Control of Dynamic Systems", Pearson, 2015 (http://aleph-sba.unipi.it).
  • Di Rito G., Lecture notes of the course “Aerospace Dynamic Systems Analysis” - academic year 2016-2017 (http://elearn.ing.unipi.it/)

 

Indicazioni per non frequentanti

Nessuna indicazione.

Non-attending students info

No indications.

Modalità d'esame

Le modalità d'esame sono le seguenti:

  • l'esame è composto da una prova scritta ed una prova orale
  • la prova scritta si tiene in un'aula normale, ha una durata di 2 ore e mezzo, e consiste nella soluzione (sia in forma parametrica che numerica) di più esercizi/problemi di analisi dinamica. Gli studenti non possono utilizzare calcolatrici grafici, né testi. Una volta superata, la prova scritta rimane valida per un anno solare e dà la possibilità di sostenere la prova orale. In caso lo studente abbia superato la prova scritta, ma si presenta nuovamente e consegna l'elaborato alla fine della prova, il precedente scritto viene invalidato e si considera solo l'ultimo scritto consegnato
  • per ogni esercizio o parte di esercizio, viene indicato il punteggio in trentesimi associato alla sua corretta risoluzione, e la prova scritta risulta superata se il punteggio complessivo ottenuto dallo studente supera o uguaglia 17/30
  • la prova orale consiste in un colloquio tra il candidato e il docente, o altri collaboratori del docente titolare. Durante la prova orale, vengono formulate domande volte a verificare il corretto approccio teorico e metodologico alla soluzione dei problemi, e può essere anche richiesto al candidato di risolvere problemi/esercizi davanti al docente. La durata media del colloquio è di 30 minuti
  • la prova orale è superata se il candidato mostra di essere in grado di esprimersi in modo chiaro e di usare la terminologia corretta, e se il candidato risponde correttamente almeno alle domande corrispondenti alla parte basilare del corso
  • il voto finale è espresso in trentesimi
Assessment methods

The final exam is carried out as follows:

  • the exam is made of a written and an oral part
  • the written exam is held in a normal classroom, the duration is typically 2.5 hours, and it deals with the solution (in both parametric and numerical terms) of a set of exercises of dynamic analysis. Neither graphical calculators nor textbooks are allowed. Once passed, a written exam result is valid for one solar year and allows the candidate to be admitted to the oral exam. In case that the student who previously passed the written part repeats the written exam and consign his work, the previous result is no more valid and only the last consigned work is considered for the evaluation
  • a score out of 30 is associated to the correct solution of each exercise or part of exercise, and the written exam is passed if the total score exceeds or equals 17 out of 30
  • the oral exam consists in a discussion between the candidate and the teacher, or a teacher assistants. The questions made during the oral exam aim at verifying the correct theoretical and methodological approach to the problems solution, and the candidate can be also required to solve problems/exercises in presence of the teacher. The average duration of the oral exam is 30 minutes.
  • the oral exam is passed if the candidate demonstrates to be capable of discussing in clear way and using the correct terminology, and if the candidate at least answers correctly at questions related to the basic course contents
  • the final score is given in score out of thirty
Altri riferimenti web

Non applicabile.

Additional web pages

Not applicable.

Note
  • Nessuna.
Notes

None.

Ultimo aggiornamento 18/11/2018 15:47