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Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo
01PETMT
A.A. 2024/25
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali)
MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI 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. SIMULAZIONE DEL VOLO Il corso introduce il concetto di simulazione del volo, fornendo gli elementi essenziali per la progettazione, lo sviluppo e l’utilizzo del simulatore di volo sia dal punto di vista progetto del velivolo sia da quello della verifica delle prestazioni e delle qualità di volo.
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Simulazione del volo)
MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI 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. SIMULAZIONE DEL VOLO L'insegnamento introduce il concetto di simulazione del volo, fornendo gli elementi essenziali per la progettazione, lo sviluppo e l’utilizzo del simulatore di volo sia dal punto di vista progetto del velivolo sia da quello della verifica delle prestazioni, delle qualità di volo e l'addestramento dei piloti.
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MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS This course serves as an introduction to the modelling techniques of nonlinear lumped-parameters control systems, arising in aerospace engineering. Applications are drawn from aerospace servo-mechanisms, with special reference to primary flight controls. Lectures refer to the "V"-model of Systems Engineering, with special emphasis on the importance of the safety and on the component and subsystem test and integration as well as functional testing. Moreover, the course also introduces some methods and techniques useful in the design of complex systems like Multidisciplinary System Design Optimization (MSDO) and Simultaneous Engineering (SE). FLIGHT SIMULATION The course introduces the concepts of simulation of flight, providing the essential elements for the design, the development and use of a flight simulator both from the point of view of aircraft design and from that of performance verification and flying qualities assessment.
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MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS This course serves as an introduction to the modelling techniques of nonlinear lumped-parameters control systems, arising in aerospace engineering. Applications are drawn from aerospace servo-mechanisms, with special reference to primary flight controls. Lectures refer to the "V"-model of Systems Engineering, with special emphasis on the importance of the safety and on the component and subsystem test and integration as well as functional testing. Moreover, the course also introduces some methods and techniques useful in the design of complex systems like Multidisciplinary System Design Optimization (MSDO) and Simultaneous Engineering (SE). FLIGHT SIMULATION The course introduces the concepts of simulation of flight, providing the essential elements for the design, the development and use of a flight simulator both from the point of view of aircraft design and from that of performance verification, flying qualities assessment and pilot training.
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MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI 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 interfacciarsi con un semplice banco sperimentale ed effettuare prove di laboratorio. SIMULAZIONE DEL VOLO Capacità di utilizzo di tecniche di programmazione e di applicazione dei concetti acquisiti nei corsi di Meccanica del Volo.
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MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI 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 interfacciarsi con un semplice banco sperimentale ed effettuare prove di laboratorio. SIMULAZIONE DEL VOLO Capacità di utilizzo di tecniche di programmazione e di applicazione dei concetti acquisiti nei corsi di Meccanica del Volo.
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MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS 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. Demonstrate knowledge and understanding about laboratory testing activity, managing control laws. Ability to conduct simple experiments on a laboratory workbench, carrying out test activities. FLIGHT SIMULATION Ability to use programming techniques and application of the concepts learned in the courses of Flight Mechanics.
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MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS 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. Demonstrate knowledge and understanding about laboratory testing activity, managing control laws. Ability to conduct simple experiments on a laboratory workbench, carrying out test activities. FLIGHT SIMULATION Ability to use programming techniques and application of the concepts learned in the courses of Flight Mechanics.
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MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI Conoscenze di base di fisica, meccanica, oleodinamica, elettrotecnica e di controlli automatici. SIMULAZIONE DEL VOLO Avere acquisito le nozioni fondamentali di informatica, fisica, meccanica e meccanica del volo.
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MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI Conoscenze di base di fisica, meccanica, oleodinamica, elettrotecnica e di controlli automatici. SIMULAZIONE DEL VOLO Avere acquisito le nozioni fondamentali di informatica, fisica, meccanica, meccanica del volo e programmazione.
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MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS The prerequisite for the course is the basic knowledge of physics, mechanics, hydraulics, electro-technics and automatic controls. FLIGHT SIMULATION The student should be familiar with the basics of computer science, physics, mechanics and flight mechanics.
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MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS The prerequisite for the course is the basic knowledge of physics, mechanics, hydraulics, electro-technics and automatic controls. FLIGHT SIMULATION The student should be familiar with the basics of computer science, physics, mechanics, flight mechanics and programming.
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MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI 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. SIMULAZIONE DEL VOLO Introduzione sulla simulazione. Cenni storici. Classificazione dei simulatori di volo. Il simulatore come strumento per lo sviluppo del progetto. Il simulatore per l’addestramento. La simulazione in volo. Aspetti del progetto dei simulatori di volo. Interfaccia uomo-macchina nella simulazione. Simulazione in batch e simulazione in real time. Definizione del modello matematico del velivolo. Sistemi di riferimento e trasformazioni di coordinate. Cenni sulla dinamica del velivolo rigido, estesa anche al volo in alta incidenza. Equazioni del moto e loro linearizzazione. Metodologie di integrazione delle equazioni del moto. Costruzione dei database aerodinamici. Modelli matematici del velivolo (ala fissa e rotante) finalizzati alla simulazione del volo. Risposta ai comandi. Dominio del tempo e della frequenza. Simulatori per aeromobili ad ala rotante: caratteristiche e differenze rispetto al caso del velivolo ad ala fissa. Criteri di realizzazione di un simulatore. Linguaggi ed ambienti di programmazione. Generazione delle immagini. Sistemi di rappresentazione delle immagini. Concetto di scenario sintetico. Simulatori open-loop e closed-loop. Ricostruzione al simulatore di manovre dei diversi tipi di aeromobili. Verifica dell’influenza dei parametri di progetto sul comportamento del velivolo. Costruzione del modello matematico di diverse classi di velivolo e verifica del comportamento sul simulatore. Esempi di modellistica non lineare (wink rock e paracadute). Valutazione della qualità di volo (ala fissa).
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MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI 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. SIMULAZIONE DEL VOLO Introduzione sulla simulazione. Cenni storici. Classificazione dei simulatori di volo. Il simulatore come strumento per lo sviluppo del progetto. Il simulatore per l’addestramento. La simulazione in volo. Aspetti del progetto dei simulatori di volo. Definizione dei vari step di simulazione, inclusa la simulazione processor-in-the loop e hardware-in-the loop. Definizione del modello matematico del velivolo. Sistemi di riferimento e trasformazioni di coordinate. Cenni sulla dinamica del velivolo rigido, estesa anche al volo in alta incidenza. Equazioni del moto e loro linearizzazione. Metodologie di integrazione delle equazioni del moto. Costruzione dei database aerodinamici. Modelli matematici del velivolo (ala fissa) finalizzati alla simulazione del volo. Risposta ai comandi. Dominio del tempo e della frequenza. Simulatori per droni ad ala fissa e multirotorici: modelli lineari, nonlineari e sviluppo dei vari elementi del simulatore. Metodi di identificazione dei parametri di un sistema. Criteri di realizzazione di un simulatore. Linguaggi ed ambienti di programmazione. Descrizione software e hardware di simulazione. Concetto di scenario sintetico, in particolare della realtà virtuale. Ambiente ROS e Gazebo: definizione e applicazione per sistemi robotici. Simulation in the loop e autopiloti di droni. Ambiente ROS e Python: definizione e applicazione ad un robot da terra. Simulatori open-loop e closed-loop. Simulatori di progetto e di ricerca: differenze tra i simulatori in ambiente di ricerca-universitario e in ambito industriale.
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MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS 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. FLIGHT SIMULATION Introduction to simulation. Background. Classification of flight simulators. The simulator as a tool for the development of the project. The simulator for training. The simulation of flight. Aspects of the design of flight simulators. Man-machine interface in the simulation. Batch and real-time simulation. Definition of the mathematical model of the aircraft. Reference systems and coordinate transformations. Notes on the dynamics of the aircraft. Extension to high angle of attack. Equations of motion and their linearization. Methods of integration of the equations of motion. Construction of the aerodynamic database. Mathematical models of the aircraft (fixed and rotary wing) aimed at the simulation of the flight. Response to commands. The time domain and frequency domain. Simulators for rotorcraft: characteristics and differences compared to the case of fixed-wing aircraft. Languages and programming environments. Visual rendering. Systems of representation of images. Concepts of synthetic scenario. Open-loop and closed-loop simulators. Reconstruction of the maneuvers for the different types of aircraft. Check the influence of design parameters on the behavior of the aircraft. Construction of the mathematical model for the different classes of aircraft and verify the behavior on the simulator. Examples of non-linear modeling (wink rock and parachute). Evaluation of flying qualities (fixed wing).
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MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS 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. FLIGHT SIMULATION Introduction to simulation. Background. Classification of flight simulators. The simulator as a tool for the development of the project. The simulator for training. The simulation of flight. Aspects of the design of flight simulators. Man-machine interface in the simulation. Batch and real-time simulation. Definition of the mathematical model of the aircraft. Reference systems and coordinate transformations. Notes on the dynamics of the aircraft. Extension to high angle of attack. Equations of motion and their linearization. Methods of integration of the equations of motion. Construction of the aerodynamic database. Mathematical models of the aircraft (fixed and rotary wing) aimed at the simulation of the flight. Response to commands. The time domain and frequency domain. Simulators for rotorcraft: characteristics and differences compared to the case of fixed-wing aircraft. Space applications of flight simulation. Languages and programming environments. Visual rendering. Systems of representation of images. Concepts of synthetic scenario. Open-loop and closed-loop simulators. Reconstruction of the maneuvers for the different types of aircraft. Check the influence of design parameters on the behavior of the aircraft. Construction of the mathematical model for the different classes of aircraft and verify the behavior on the simulator. Evaluation of flying qualities (fixed wing).
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali)
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Simulazione del volo)
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MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI 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. SIMULAZIONE DEL VOLO L’attività didattica prevede un numero di ore di esercitazione in aula almeno pari al 30% del numero totale di ore previste per il corso. Durante le esercitazioni vengono proposti all’allievo problemi analoghi a quelli che si presentano nella pratica ingegneristica (dimensionamenti, interpretazione di dati di simulazione, etc.), onde svilupparne la capacità di applicare la teoria in un contesto applicativo. Si chiede agli allievi di organizzarsi in gruppi di due o al massimo tre allievi; ciascun gruppo redigerà relazioni da portare all’esame, in cui sono raccolti svolgimento e risultati delle esercitazioni. Viene fornita assistenza continua in aula da parte del docente. Gli esercizi sono proposti in progressione didattica e richiedono l’uso del calcolatore. Di norma per ogni ora di esercitazione in aula l’allievo deve prevedere, nell’ambito dei crediti assegnati, un lavoro personale a casa per completamenti ed integrazioni (progetto individuale).
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Simulazione del volo)
MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI 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. SIMULAZIONE DEL VOLO E' prevista un'esercitazione pratica con un simulatore di volo di un velivolo commerciale (Airbus A320), che prevede la programmazione, l'esecuzione e l'analisi di una missione reale. Di norma per ogni ora di esercitazione in aula l’allievo deve prevedere, nell’ambito dei crediti assegnati, un lavoro personale a casa per completamenti ed integrazioni (progetto individuale).
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MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS 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. FLIGHT SIMULATION Teaching provides a number of hours of classroom exercises (at least 30% of the total number of hours required for the course). During the classroom exercises the students solve problems similar to those that arise in engineering practice (dimensioning, interpretation of simulation data, etc.), in order to develop the ability to apply the theory in an application context. The students should organize classroom teams i.e. groups of two or at most three students. Each group will prepare reports, in which the results of the exercises are collected and commented. Continuous support is provided in the classroom by the teacher. The exercises are offered in educational progression and require the use of the computer. Normally, for each hour of exercise in the classroom the student must provide an equivalent personal work at home (preparation of team and individual project).
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Simulazione del volo)
MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS 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. FLIGHT SIMULATION Teaching provides a number of hours of classroom exercises (at least 30% of the total number of hours required for the course). During the classroom exercises the students solve problems similar to those that arise in engineering practice (dimensioning, interpretation of simulation data, etc.), in order to develop the ability to apply the theory in an application context. The students should organize classroom teams i.e. groups of two or at most three students. Each group will prepare reports, in which the results of the exercises are collected and commented. Continuous support is provided in the classroom by the teacher. The exercises are offered in educational progression and require the use of the computer. A training exercise is also performed with a flight simulator for a commercial aircraft (Airbus A320), which includes planning, execution and analysis of a complete real mission. Normally, for each hour of exercise in the classroom the student must provide an equivalent personal work at home (preparation of team and individual project).
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali)
MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI 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. SIMULAZIONE DEL VOLO Si utilizza materiale didattico apposito che non coincide con testi disponibili. A questi si fa comunque esplicito riferimento nel materiale fornito, dove vengono consigliati alcuni testi per gli approfondimenti. Le dispense (in parte in inglese), gli stampati delle diapositive utilizzate a lezione, vengono messe a disposizione agli studenti iscritti all’insegnamento sul portale della didattica.
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Simulazione del volo)
MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI Testi di riferimento: 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. SIMULAZIONE DEL VOLO Si utilizza materiale didattico apposito che non coincide con testi disponibili. A questi si fa comunque esplicito riferimento nel materiale fornito, dove vengono consigliati alcuni testi per gli approfondimenti. Le dispense (in parte in inglese), gli stampati delle diapositive utilizzate a lezione, vengono messe a disposizione agli studenti iscritti all’insegnamento sul portale della didattica.
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali)
MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS 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. FLIGHT SIMULATION The course uses a complete set of notes that does not match any of the available textbooks. Additional references are provided and recommended only for further details. Handouts (some in English) and slides used in class are available to students on the website.
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Simulazione del volo)
MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS 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. FLIGHT SIMULATION The course uses a complete set of notes that does not match any of the available textbooks. Additional references are provided and recommended only for further details. Handouts (some in English) and slides used in class are available to students on the website.
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali)
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato grafico individuale;
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Simulazione del volo)
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Elaborato progettuale individuale;
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali)
Exam: Compulsory oral exam; Individual graphic design project;
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Simulazione del volo)
Exam: Written test; Individual project;
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali)
MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI Lo studente sarà seguito personalmente dai docenti nell'apprendimento, 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. SIMULAZIONE DEL VOLO Il superamento dell’esame per il corso 02IIQMT - Simulazione del volo prevede quanto segue: • Preparazione di un rapporto tecnico per ciascuna delle 8 esercitazioni pratiche assegnate durante il corso. L’attività esercitativa al calcolatore deve essere svolta in squadre di 2-3 studenti ed il rapporto tecnico deve essere elaborato congiuntamente. Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO entro l’ultima lezione del corso. La valutazione del risultato prodotto sarà collettiva (max 8/30). La consegna a fine semestre della relazione relativa alle esercitazioni non esenta lo studente dalla presenza in aula o in laboratorio durante il corso. • Preparazione di una relazione di progetto relativa allo sviluppo di un simulatore. Lo stile editoriale deve essere quello di un “tutorial” ovvero di una guida ragionata all’utilizzo del programma (con esempi e risultati tipici). Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO entro l’ultima lezione del corso. Il progetto dovrà essere svolto in forma individuale e riportare tutto quanto ritenuto essenziale per descrivere la soluzione implementativa adottata. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 12/30). • Redazione in aula di un elaborato scritto in risposta (forma aperta) ad una serie di quesiti tecnici specifici. Lo studente avrà a disposizione i SOLI appunti del corso e dovrà dimostrare confidenza e padronanza delle tematiche oggetto dell’insegnamento. La prova scritta dura 2 ore. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 12/30).
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Simulazione del volo)
MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI L’esame, orale, verterà su tutti gli argomenti dell'insegnamento e, in particolare, sulla esposizione delle relazioni delle esercitazioni. 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. SIMULAZIONE DEL VOLO Il superamento dell’esame per il corso 02IIQMT - Simulazione del volo prevede quanto segue: • Preparazione di un rapporto tecnico relativo al simulatore A320. Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO entro l’ultima lezione del corso. La valutazione del risultato prodotto sarà collettiva (max 2/30). • Preparazione di una relazione di progetto relativa allo sviluppo di un simulatore. Lo stile editoriale deve essere quello di un “tutorial” ovvero di una guida ragionata all’utilizzo del programma (con esempi e risultati tipici). Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO entro due giorni prima (48h) dell’appello in cui si risulta iscritti. Il progetto dovrà essere svolto in forma individuale e riportare tutto quanto ritenuto essenziale per descrivere la soluzione implementativa adottata. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 14/30). • Redazione in aula di un elaborato scritto in risposta (forma aperta) ad una serie di quesiti tecnici specifici. La prova scritta dura 2 ore. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 16/30).
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali)
Exam: Compulsory oral exam; Individual graphic design project;
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Simulazione del volo)
Exam: Written test; Individual project;
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali)
MODELLING, SIMULATION AND TESTING OF AEROSPACE SYSTEMS The student will be personally supervised by the teachers during the exercises during 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. FLIGHT SIMULATION • Preparation of a technical report for each of the 8 practical exercises assigned during the course. The activity must be carried out in teams of two/three students and the technical report should be drawn up jointly. This document must be delivered COMPLETE within the last lesson of the course. The evaluation of the product will be collective (max 8/30). • Preparation of a project report on the development of a simulator. The editorial style should be that of a "tutorial" or a guide to the rational use of the program (with examples and typical results). This document must be delivered COMPLETE within the last lesson of the course. The project must be done on an individual basis and report everything considered essential to describe the solution adopted. The evaluation of the product will be individual (max 12/30). • Classroom written exam as a response (in an open form) to a series of specific technical questions. The student can consult the course notes during the exam and must demonstrate both problem solving attitude and confidence with the subject. The written exam lasts two hours. The evaluation of the product will be individual (max 12/30).
Modellazione, simulazione e sperimentazione dei sistemi aerospaziali/Simulazione del volo (Simulazione del volo)
MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI L’esame, orale, verterà su tutti gli argomenti del corso e, in particolare, sulla esposizione delle relazioni delle esercitazioni. 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. SIMULAZIONE DEL VOLO Il superamento dell’esame per il corso 02IIQMT - Simulazione del volo prevede quanto segue: • Preparazione di un rapporto tecnico per ciascuna delle esercitazioni pratiche assegnate durante il corso. L’attività esercitativa al calcolatore deve essere svolta in squadre di 5-6 studenti ed il rapporto tecnico deve essere elaborato congiuntamente. Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO entro l’ultima lezione del corso. La valutazione del risultato prodotto sarà collettiva (max 8/30) e non ripetibile. La consegna a fine semestre della relazione relativa alle esercitazioni non esenta lo studente dalla presenza in aula o in laboratorio durante il corso. • Preparazione di una relazione di progetto relativa allo sviluppo di un simulatore. Lo stile editoriale deve essere quello di un “tutorial” ovvero di una guida ragionata all’utilizzo del programma (con esempi e risultati tipici). Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO entro l’ultima lezione del corso. Il progetto dovrà essere svolto in forma individuale e riportare tutto quanto ritenuto essenziale per descrivere la soluzione implementativa adottata. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 12/30) e non ripetibile. • Redazione in aula di un elaborato scritto in risposta (forma aperta) ad una serie di quesiti tecnici specifici. Lo studente avrà a disposizione i SOLI appunti del corso e dovrà dimostrare confidenza e padronanza delle tematiche oggetto dell’insegnamento, coerentemente con i risultati di apprendimento attesi. La prova scritta dura 2 ore. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 12/30). In alternativa all’elaborato scritto in aula, il docente può avvalersi della modalità di esame scritta in remoto tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam, integrata con strumenti di proctoring (Respondus).