CdSINGEGNERIA AEROSPAZIALE
Codice1031I
CFU6
PeriodoPrimo semestre
LinguaItaliano
| Moduli | Settore/i | Tipo | Ore | Docente/i | |
| DINAMICA DEL VOLO I | ING-IND/03 | LEZIONI | 60 |
|
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 ed i criteri di progetto.
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 with analytical and numerical methods, and their characteristics are also correlated to 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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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.
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.
Discussione durante l'esame orale.
Discussion during the oral exam.
Per frequentare il corso è opportuno aver frequentato precedentemente i corsi di:
- Meccanica del volo
- Analisi e controllo di veicoli aerospaziali
e di avere sostenuto i relativi esami (propedeutici) allo scopo di possedere le conoscenze necessarie circa l'architettura dei velivoli, le prestazioni dei velivoli ad ala fissa, gli strumenti matematici di base per l'analisi dei sistemi dinamici lineari (in particolare le trasformate di Laplace) ed i metodi di controllo automatico di base (PID).
To attend the course it is appropriate to have previously attended courses of:
- Flight mechanics
- Analysis and control aerospace vehicles
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).
Il corso si tiene in lingua italiana.
Il corso è costituito da 60 ore di:
- Lezioni teoriche (60%)
- Esercitazioni pratiche nel laboratorio informatico (40%)
La frequenza delle lezioni e delle esercitazioni è altamente consigliata.
The course is held in Italian.
It consists of 60 hours of:
- Face-to-face lessons (60%)
- Practical exercises in the computer lab (40%)
The attendance of lectures and exercises is highly recommended.
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 ed ai disturbi atmosferici.
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 (10 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.
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)
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)
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
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
Gli studenti che non frequentano possono scaricare il materiale di studio dal sito web del corso:
http://elearn.ing.unipi.it
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► Dinamica del Volo I 2023/2024
Link diretto:
https://elearn.ing.unipi.it/course/view.php?id=3161
(è richiesta la registrazione preventiva)
Students who do not attend the lectures can download the study material from the course website:
http://elearn.ing.unipi.it
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Short link :
https://elearn.ing.unipi.it/course/view.php?id=3161
(prior user registration required)
L'esame consiste in un colloquio della durata di circa un'ora.
The exam consists in an oral interview lasting about one hour.