Il corso intende fornire agli allievi le nozioni fondamentali della dinamica del volo e del controllo del velivolo, seguendo una trattazione che fa riferimento al modello lineariz-zato. Dopo la definizione dei punti caratteristici del velivolo che consentono di defInir-ne i requisiti dei comandi e delle equazioni del moto vario longitudinale e latero-dire-zionale, si richiamano quegli strumenti matematici che sono indispensabili nella dina-mica del volo. Si presentano poi alcuni metodi e strumenti per poter valutare le deriva-te aerodinamiche che compaiono nelle equazioni del moto e si passa quindi allo studio della risposta del velivolo al comando ed al disturbo atmosferico. Nella parte fmale, ma comunque cospicua del corso, si forniscono agli allievi le nozioni fondamentali relative al controllo convenzionale che impiega metodi di progetto classici ed alcune nozioni relative ai controlli moderni multivariabile.
Prerequisiti
È opportuno essere a conoscenza dei concetti fondamentali della Meccanica Applicata, dell'Aerodinamica, delle Costruzioni Aeronautiche e della Meccanica del Volo.
Programma
Richiami di Meccanica del Volo.[lOore]
Equilibrio e stabilità statica longitudinale.
Determinazione della posizione del fuoco a comandi bloccati e liberi per via teorica e sperimentale. Il requisito della speed stability. Il momento di cerniera e il requisito della stabilità del comando. Sforzo di barra ed effetto dell'attrito; i requisiti del coman-do longitudinale: istintività, trimmabilità, sensibilità. Il moto curvo nel piano di sim-metria; punto di manovra a comandi bloccati e liberi: requisiti sui gradienti elevator angle per gestick farce per g.
Cenni sui problemi di equilibramento statico e dinamico della superficie di comando.[2ore]
Posizione limite anteriore del baricentro con e senza "effetto suolo".
Moto vario del velivolo.[12ore]
Riferimento inerziale e riferimento velivolo: assi corpo, assi vento, assi di stabilità.
Le equazioni generali del moto non stazionario; le equazioni delle forze in assi vento; le equazioni di forze e momenti in assi corpo. La linearizzazione delle equa-zioni con le ipotesi delle piccole perturbaequa-zioni. Equaequa-zioni in forma adimensionaliz-zata. Moto longitudinale: la soluzione del sistema, diagrammi di A rgand.
Diagrammi di stabilità, luogo delle radici, tipi di traiettoria. Moto longitudinale a comandi liberi: la soluzione del sistema; l problema dell'equilibramento della tra-smissione legato al 2° e 3° modo a comandi liberi. Equazioni del moto latero - dire-zionale: la soluzione del sistema, diagrammi di A rgand. Equazioni della cinematica e di .navigazione.
Metodi sperimentali e teorici nella determinazione delle derivate aerodinami-che. [IO ore]
Lederivate aerodinamiche nelle variabili di stato del moto vario longitudinale; le deri-vate di controllo nell'angolo di barra dell'equilibratore. Le derivate aerodinamiche del moto vario latero-direzionali; le derivate di controllo negli angoli di barra del timone e degli alettoni.
Gli strumenti analitici necessari.[8ore ]
Matrici ed operatori matriciali, diff e renziazione ed integrazione. La trasformazione lineare: autovalori ed autovettori, le coordinate modali. Il sistema lineare: soluzione tirne-domain delle equazioni di stato. Coordinate modali. Decomposizione modale:
applicazione alla dinamica del velivolo. La trasformazione di Fourier e di Laplace.
Tecnica delle frazioni parziali per la determinazione della trasformazione inversa. Poli e zeri della funzione di trasferimento; interpretazione della funzione di trasferimento.
Sistemi di riferimento e trasformazioni; trasformazione di un vettore. La matrice di rota-zione degli angoli e le sue proprietà. Il passaggio da un sistema di riferimento all'altro.
Larisposta del velivolo al comandoedal disturbo atmosferico.[16ore]
Risposta del velivolo ad un input sinusoidale; risposta in frequenza. Determinazione delle funzioni di trasferimento del velivolo. Diagrammi di Nyquist, di Bode e di .Nichols.
Effetto dei poli e degli zeri sulla risposta in frequenza. Equazioni del moto in atmosfera non uniforme. Fenomenologia della turbolenza atmosferica e wind shear; modelli di turbolenza; metodo della densità spettrale di potenza. Risposta del velivolo al disturbo atmosferico. Le schematizzazioni della raffica. Risposta ad un comando: risposta al comando a gradino dell'equilibratore, risposta alla manetta, frequenza di risposta late-rale, transitorio di risposta agli alettoni ed al timone; Accoppiamento inerziale nelle manovre rapide.
Controlli automatici.[22ore]
Diagrammi di opinione. Flying ed handling qualities; la specifica MIL-F-8785C: specifi-che per il volo longitudinale e latero - direzionale.
r
sistemi di controllo automatico;defmizione del guadagno di loop. Progetto di un sistema SISO con il metodo root-locus, di assegnazione degli autovalori e model following. Realizzazione pratica del controllore e funzioni del sistema di controllo. Panoramica sui sistemi SAS, CAS ed autopiloti. Architettura del controllo longitudinale e latero-direzionale. I sistemi SAS:
pitch damper, rolldamper jyaw dam -per. I sistemi CAS: roll rate, pitch rate, normal acceleration. Gli autopiloti: pitch attitude hold, altitude hold, automatic landing, turn coordination. Sistemi di controllo di tipo MIMO.
Laboratori elo esercitazioni
- Caratteristiche aerodinamiche e condizioni di equilibrio di un velivolo tuWala a frec-cia svergolata.
- Angolo di deflessione dell'equilibratore per assicurare l'equilibrio longitudinale di un aliante e curve aerodinamiche caratteristiche.
- Sforzo di barra e gradienti caratteristici del comando longitudinale.
- Determinazione dei punti di manovra a comandi liberi e bloccati.
- Determinazione delle caratteristiche del moto vario longitudinale a comandi bloccati.
- Determinazione delle caratteristiche del moto vario latero-direzionale a comandi bloccati.
- Risposta al comando a gradino dell'equilibratore.
- Risposta in frequenza nel piano longitudinale: calcolo analitico e diagramma di Bode.
- Larisposta longitudinale alla raffica nel dominio del tempo e della frequenza.
- Soppressione della divergenza nel modo spirale attraverso le derivate nell'angolo di derapata.
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Bibliografia
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Amerio, Metodi matematici ed applicazioni.
Baciotti, Teoria matematica dei controlli.
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Mangiacasale, Controlli automatici del velivolo.
McLean, Automatic flight control systems.
Nelson, Flight stability and Automatic Contro!.
Esame
La valutazione consistein un tradizionale esame orale. Per coloro che hanno superato la prova orale relativa al modulo A, l'esame verterà soltanto sui contenuti del modul B edil voto finale risulterà dalla media pesata sui rispettivi numeri di crediti dei vo dei due moduli. Per coloro che non hanno superato la valutazione del modulo A (o ch non hanno ritenuto di sfruttarne la possibilità) l'esame [male sarà unico.