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PORTALE DELLA DIDATTICA

Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali

01NHPMT

A.A. 2021/22

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/05 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2020/21
Nell’ambito dell’orientamento "aeromeccanica e sistemi" si ritiene opportuno far acquisire allo studente i rudimenti di alcuni strumenti essenziali per il progetto; in particolare, l’insegnamento si focalizzerà i) sulla metodologia generale per la costruzione di modelli numerici (principalmente non lineari a parametri concentrati) di alcuni sistemi aerospaziali, ii) sulle tecniche di simulazione e iii) sull’uso della sperimentazione ai fini dell’affinamento e della validazione dei due precedenti punti. L’impiego di questi tre strumenti, nelle diverse fasi dello sviluppo di un sistema, verrà anzitutto inquadrato nel flusso globale della progettazione sistemistica, evidenziando la successione logica secondo cui il nuovo prodotto, a valle della definizione concettuale, viene prima modellato, poi simulato e, in parallelo, trasformato in prototipo essendo, in ultimo, sperimentato. Per i tre strumenti si forniranno esempi di applicazione principalmente inerenti ai dispositivi di azionamento dei comandi di volo primari dei velivoli moderni; contestualmente si vedranno, ovviamente a livello di concetto, le tipologie, le entità di risorse e le conoscenze richieste per applicare detti strumenti. Infine, verranno dati cenni relativi alle tecniche di integrazione dei modelli in relazione alle metodologie di ottimizzazione multidisciplinare del progetto (MSDO – Multidisciplinary System Design Optimization) e di progetto integrato simultaneo (SE – Simultaneous Engineering). Il processo di apprendimento si baserà su esercitazioni applicative e di laboratorio in cui si richiederà un attivo coinvolgimento degli studenti, per rendere consapevoli delle potenzialità, ma anche dei limiti, degli strumenti a loro presentati, acuendo in tal modo le loro capacità critiche.
As part of the "aeromechanical and systems" orientation, it is considered opportune to have the student acquire the rudiments of some essential tools for the project; in particular, the teaching will focus i) on the general methodology for the construction of numerical models (mainly non-linear with concentrated parameters) of some aerospace systems, ii) on simulation techniques and iii) on the use of experimentation for the purposes of refinement and validation of the two previous points. The use of these three tools, in the different phases of the development of a system, will first be framed in the global flow of system design, highlighting the logical sequence according to which the new product, after the conceptual definition, is first 1) modeled, then 2) simulated and in parallel, transformed into a prototype being, in the end, 3) experimented. For each of the three above said steps the course will provide examples of application mainly related to the devices for driving the primary flight controls of modern aircraft/spacecraft; contextually, obviously at the concept level, the types, the resources and the knowledge required to apply these design approaches. Finally, hints will be given on the techniques of model integration in relation to the multidisciplinary project optimization methodologies (MSDO - Multidisciplinary System Design Optimization) and the simultaneous integrated project (SE - Simultaneous Engineering). The learning process will be based on practical and laboratory exercises in which an active involvement of the students will be required, to make aware of the potentials, but also of the limits, of the tools presented to them, thus sharpening their critical skills.
Capacità di comprendere, nell’ambito dell’attività di progettazione sistemistica, il ruolo e l’importanza della modellazione, della simulazione e della sperimentazione. Capacità di definire modelli non lineari di parti di un sistema. Capacità di integrare singoli modelli, di livello gerarchico inferiore, a costituire un modello multidisciplinare più complesso. Capacità di comprendere come i modelli possono (a prescindere dalla loro valenza progettuale) anche essere integrati a bordo di un sistema per implementare funzioni di diagnostica e prognostica. Capacità di interfacciarsi con un semplice banco sperimentale ed effettuare prove di laboratorio.
Demonstrate knowledge about the systems design process and understand the role and the importance of the systems modelling, simulation and testing activities application along the design phases. Ability to create non linear models of different components of a typical aerospace control system. Ability to integrate low hierarchy models to define a more complex multidisciplinary model of a system by the use of commercial programming tools. Ability to understand how models can (regardless of their design value) also be integrated on board a system to implement diagnostic and prognostic functions. Demonstrate knowledge and understanding about laboratory testing activity, managing control laws. Ability to conduct simple experiments on a laboratory workbench, carrying out test activities.
Conoscenze di base di fisica, meccanica, oleodinamica, elettrotecnica e di controlli automatici;
The prerequisite for the course is the basic knowledge of physics, mechanics, hydraulics, electro-technics and automatic controls.
Parte generale Cenni alla teoria dei modelli. Processo di progettazione sistemistica e ruolo in esso ricoperto dagli strumenti costituiti da modellazione, simulazione e sperimentazione; definizione dei requisiti di progetto e dei requisiti di prova di un sistema. Concetti generali sulla modellazione dinamica, sulla conseguente simulazione e sui suoi impieghi. Concezione generale di un programma di simulazione dinamica a partire dai modelli multidisciplinari dei sottosistemi; comparazione e discussione ragionata di modelli di sistemi basati su differenti approcci. Valutazione comparata fra modelli dinamici, a differente grado di complessità e tipologia, riferiti a un medesimo componente o sistema. Applicazioni significative nei sistemi dinamici aerospaziali. Strumenti informatici e tecniche per la simulazione. Analisi delle problematiche numeriche nella simulazione. Cenni alle tecniche di progettazione multidisciplinare integrata: concurrent e simultaneous engineering. Cenni alle tecniche di ottimizzazione multisciplinare. Concetti generali sull’attività sperimentale e varie tipologie di prove. Calibrazione e valutazione. Definizione di un piano degli esperimenti. Strumenti per la sperimentazione e loro integrazione. Parte applicativa Analisi dei comandi di volo, con particolare riferimento ai comandi primari di tipologia fly-by-wire con attuatori EHA e EMA. Componenti loro modellazione; 1) componenti meccanici: motori in corrente continua, pompe idrauliche a cilindrata variabile, viti a circolazione di sfere/rulli, attuatori idraulici, superfici mobili del velivolo, 2) organi di regolazione e controllo: servovalvole oleodinaniche, sensori, logiche per il controllo della posizione. Per ciascun componente sono sviluppati più modelli, con livello di complessità e ordine crescenti, comprendenti anche le principali non linearità (giochi, attrito secco, isteresi, saturazioni, ecc..). Modello dinamico elettro-fluido-meccanico complessivo servovalvola in formulazione di quarto e terzo ordine; possibili semplificazioni di primo ordine e istantanea, pregi e difetti comparati. Gruppo di attuazione ipersostentatori: layout a motore idraulico + trasmissione a barre di torsione fail-safe + attuatori finali e freni. Modello dinamico elettro-fluido-meccanico completo di servovalvola + martinetto per servoposizione: formulazioni di ordine 6 e 5; semplificazioni di ordine 3 e 2, pregi e difetti comparati. Servovalvole elettroidrauliche a due stadi: cassetto come secondo stadio; pilotaggi di primo stadio, tipi, flapper-nozzle, jet-pipe, jet-deflector. Principio di funzionamento jet-pipe e analogie con altri tipi, descrizione di tipico comportamento dinamico nell'interazione tra i due stadi, considerazioni su tempistiche tipiche e conseguenti adottabili ipotesi semplificative. Integrazione dei succitati modelli in un sistema di azionamento completo. Analisi parametrica del comportamento dei modelli tramite uso della simulazione. Definizione di cifre di merito per valutare il raggiungimento dei requisiti di progetto. Definizione di un piano di prove sperimentali da implementare su banco sperimentale. Simulazione di logiche di diagnostica, di gestione del guasto e di tolleranza al guasto. Impostazione di un semplice caso di ottimizzazione multidisciplinare su un caso riguardante i comandi di volo di un velivolo.
General part Basics of model theory and time domain numerical simulation of lumped parameter systems techniques. System design engineering and role played by modelling, simulation and testing. "V"-model of Systems Engineering: needs identification, requirements formulation, concept generation and selection, trade studies, preliminary and detailed design; definition of component and subsystem test plan and integration, as well as functional verification testing. Types of nonlinearities of servo-mechanisms. Primary flight controls description, with special reference to fly-by-wire architectures integrating Electro Hydrostatic and Electro Mechanical Actuators (EHA and EMA). Basics of safety and reliability in systems design. Fault tolerant architectures for primary flight controls. Diagnostics and prognostics techniques in safety critical control systems. Application of numerical simulation on nonlinear servo-mechanism. General programming techniques for the non-linear numerical simulation starting from the existing sub-systems models; analysis and comparison between different approaches. Trade-off analysis between dynamical models, with different typology and complexity, of a specific component or sub-system. Relevant applications of aerospace dynamic systems. Commercial tools and techniques for system simulation. Analysis of the numerical problems of time domain simulation. Outline of multidisciplinary integrated design techniques: concurrent e simultaneous engineering (SE). Outline of the multidisciplinary design system optimization (MDSO) methodology. Generality of aerospace systems testing. Workbench and sensors calibration. Design of experiments techniques. Testing equipment and sensors integration. Application part Modelling of flight controls components; 1) electro-mechanical parts: DC motor, variable displacement hydraulic pumps, screw jacks, hydraulic cylinders, flight control surfaces and mechanic links, 2) control and regulation parts: hydraulic servo-valves, relief valves, sensors, position control loop algorithms. Several models for each components will be developed with increasing level of complexity, including non-linear effects (clearances, coulomb friction, saturations, hysteresis, etc..). Complete electro-fluid-dynamic model of a servo-valve with fourth and third orders formulation. Possible simplification to the first order and instantaneous formulation. Pros and cons comparison. High lift device actuation unit modelling: hydraulic motor + fail safe transmission torsion shaft + linear actuators + no back brakes. Complete electro-fluid-dynamic model of a servo-valve + hydraulic cylinder with a position control loop: sixth and fifth order formulation. Simplification to the orders 3 and 2; pros and cons comparison. Two stages electro-hydraulic servo-valves: spool as a second stage; types of first stage piloting control loop: flapper-nozzle, jet-pipe, jet-deflector. Working principles jet-pipe and comparisons with the other types. Description of the classical dynamic behaviour during the interaction of the two stages of the valve. Analysis of the effects of the model simplifications on the actuation time constants. Integration of the aforesaid models into a complete actuation system of a fly-by-wire control, aircraft flight mechanics included. Parametric analysis of the numerical behaviour of the developed models when simulating. Definition of figures of merit to characterize the performance of the system model with respect of the design requirements. Definition of a testing plan to be implemented on the experiments workbench. Implementation of diagnostic logics, failure management criteria and fault tolerance characteristics. Definition of a simple case study of multidisciplinary design optimization applied to a primary flight control.
Elaborazione di modelli, comprensivi delle non linearità, di servomeccanismi tipici dei comandi di volo di un moderno velivolo. Creazione e soluzione, in laboratorio informatico, di modelli di simulazione relativi al comportamento dinamico di sistemi di bordo con sperimentazione "virtuale" dei fenomeni. Per la costruzione dei modelli verranno utilizzati alcuni strumenti informatici disponibili in laboratorio informatico. Esercitazioni sperimentali su un banco didattico rappresentativo di un comando di volo primario, del tipo "fly-by-wire", con studio delle leggi di controllo e acquisizione dati.
The course consists of lectures interspersed with hands-on practice (at least 40% of the total number of hours for the course). followed by exercises, based on the material covered in the lecture, with the continuous support of the teacher. The exercises are conducted in the computer laboratory by the use of Matlab-Simulink tool. Several non-linear models of different types of recent aerospace servo-mechanisms (mainly primary flight controls) are developed by the student under the teacher guide. The simulation results are discussed and compared. They are collected on a student’s individual project report to be discussed at the final exam. Practical exercises are also provided by a laboratory workbench representing a modern fly-by-wire primary flight controls scheme, with a position loop computer having a parametric gain settings unit, and a dedicated data acquisition board.
Testi di riferimento per il corso: a) Dispense fornite a cura del docente. Per approfondimenti e ulteriore consultazione: a) Dean C. Karnopp, Donald L. Margolis, Ronald C. Rosenberg, "System Dynamics: Modeling and Simulation of Mechatronic Systems", 4th Edition Wiley, 2006. b) MIL-STD-810G Department of Defense Test Method Standard for Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests. c) Garret N. Vanderplaats, "Numerical Optimization Techniques for Engineering Design", ISBN 0-944956-01-7, 3rd Edition, Vanderplaats Research & Development Inc., 2001.
None are required, as a complete digital set of the lecture notes and laboratory examples, to download from the course web page, will be provided. The following textbooks provide optional resource material for this course: 1) Dean C. Karnopp, Donald L. Margolis, Ronald C. Rosenberg, "System Dynamics: Modeling and Simulation of Mechatronic Systems", 4th Edition Wiley, 2006. 2) MIL-STD-810G, Department of Defense Test Method Standard for Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests. 3) Garret N. Vanderplaats, "Numerical Optimization Techniques for Engineering Design", ISBN 0-944956-01-7, 3rd Edition, Vanderplaats Research & Development Inc., 2001.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale;
Lo studente sarà seguito personalmente dai docenti nell'apprendimento usando gli strumenti messi a disposizione dalla didattica in remoto (chat, domande audio, email, eventuali lezioni di approfondimento su richiesta), durante le esercitazioni in corso d'anno, verificando l'adeguata conoscenza degli aspetti metodologici e applicativi insegnati durante il corso e la capacità di utilizzare tale conoscenza per interpretare, descrivere in termini multidisciplinari alcuni problemi relativi alla materia, con particolare enfasi sui comandi di volo primari e sugli azionamenti in genere. L’esame, orale, verterà su tutti gli argomenti del corso e, in particolare, sulla esposizione delle relazioni delle esercitazioni. L’esame verificherà anche la maturità dello studente e la sua capacità di mettere in relazione discipline e fenomeni eterogenei. La presentazione in sede d’esame delle relazioni di tutte le esercitazioni, in copia personale, è condizione necessaria per accedere all’esame stesso; parte della valutazione sarà basata sulla corretta comprensione del significato e sulla chiarezza e l’ordine di dette relazioni.
Exam: Compulsory oral exam; Individual essay;
The student will be personally supervised by the teachers using remote teaching tools (chat, audio questions, emails and organizing any in-depth lessons on request) during the exercises along the year, verifying the adequate knowledge of the methodological and applicative aspects taught during the course and the ability to use this knowledge to interpret, describe in multidisciplinary terms some problems related to the subject, with particular emphasis on primary flight controls and on electromechanical drives in general. The oral examination will focus on all the topics of the course and, in particular, on the presentation of the reports of the exercises. The exam will also verify the maturity of the student and his ability to relate disciplines and heterogeneous phenomena. The presentation during the examination of the reports of all the exercises, in personal copy, is a necessary condition to access the exam itself; part of the evaluation will be based on the correct understanding of the meaning and on the clarity and order of these reports.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale;
Lo studente sarà seguito personalmente dai docenti nell'apprendimento usando gli strumenti messi a disposizione dalla didattica in remoto (chat, domande audio, email, eventuali lezioni di approfondimento su richiesta), durante le esercitazioni in corso d'anno, verificando l'adeguata conoscenza degli aspetti metodologici e applicativi insegnati durante il corso e la capacità di utilizzare tale conoscenza per interpretare, descrivere in termini multidisciplinari alcuni problemi relativi alla materia, con particolare enfasi sui comandi di volo primari e sugli azionamenti in genere. L’esame, orale, verterà su tutti gli argomenti del corso e, in particolare, sulla esposizione delle relazioni delle esercitazioni. L’esame verificherà anche la maturità dello studente e la sua capacità di mettere in relazione discipline e fenomeni eterogenei. La presentazione in sede d’esame delle relazioni di tutte le esercitazioni, in copia personale, è condizione necessaria per accedere all’esame stesso; parte della valutazione sarà basata sulla corretta comprensione del significato e sulla chiarezza e l’ordine di dette relazioni.
Exam: Compulsory oral exam; Individual essay;
The student will be personally supervised by the teachers using remote teaching tools (chat, audio questions, emails and organizing any in-depth lessons on request) during the exercises along the year, verifying the adequate knowledge of the methodological and applicative aspects taught during the course and the ability to use this knowledge to interpret, describe in multidisciplinary terms some problems related to the subject, with particular emphasis on primary flight controls and on electromechanical drives in general. The oral examination will focus on all the topics of the course and, in particular, on the presentation of the reports of the exercises. The exam will also verify the maturity of the student and his ability to relate disciplines and heterogeneous phenomena. The presentation during the examination of the reports of all the exercises, in personal copy, is a necessary condition to access the exam itself; part of the evaluation will be based on the correct understanding of the meaning and on the clarity and order of these reports.


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