93853 - ADVANCED GUIDANCE AND CONTROL OF AIRCRAFT AND SPACECRAFT

Conoscenze e abilità da conseguire

The objective of the course is to provide the students with modern guidance and control techniques which are applicable to all flying vehicles without distinction. The course is intended for students in aerospace engineering oriented to both atmospheric and space flight. The focus is on application of multivariable robust optimal control theory for guidance and control of fixed and rotary wing aircrafts and spacecraft. The project of the autopilots currently implemented in commercial (airliner) and general aviation aircraft is proposed jointly with modern guidance and control systems for satellites, space-stations and microsatellite. An appealing feature of the course is the ready and extensive use of MATLAB®/Simulink® codes in the many solved examples illustrating guidance and control design and analysis. Furthermore, at the end of the course, the operation and programming of commercial autopilots are practically taught by using a certified flight simulator.

Contenuti

Prima Parte

1. Controllo Ottimo. Teorie del controllo classica e moderna. Controllo in catena aperta e in retroazione. Problema di controllo ottimo (CO). Condizione necessaria per la soluzione di un problema di controllo ottimo. Funzione Hamiltoniana. Problema di CO senza vincoli sullo stato finale, con vincoli separati sullo stato finale, in tempo minimo, a minima energia. Problema di regolazione ottima LQ: scelta dei coefficienti di peso nell'indice di comportamento. problema di inseguimento ottimo LQ. Principio di Pontryagin.
2. Regolazione ed Inseguimento. Problema di regolazione ottima LQ a tempo finito: calcolo dell'indice di comportamento, interpretazione dei guadagni di retroazione. Confronto fra realizzazione in catena aperta ed in retroazione. Discussione regolatore ottimo (RO) LQ nel caso scalare. Considerazioni sulla controllabilitÃ. Comportamento a regime del RO LQ. Estensione del problema di regolazione ottima LQ . Comportamento a regime del RO LQ. Problema di inseguimento ottimo LQ.
3. Regolatore stazionario LQ. Comportamento a regime del RO LQ nel caso stazionario. Problema di regolazione ottima LQ a tempo infinito. Equazione algebrica di Riccati e condizione per l'esistenza e l'unicità della sua soluzione. Considerazioni sull'asintotica stabilità di un sistema chiuso in retroazione mediante il suo regolatore stazionario. Considerazioni sulla robustezza. Limiti delle prestazioni del RO stazionario. Estensione del problema di regolazione ottima a tempo infinito. Margine di stabilità garantito. Set points diversi dalle origini.
4. Assegnamento dei poli. Trasformazioni di base. Condizionamento numerico di una trasformazione. Indici di controllabilità ed osservabilità Assegnamento dei poli (AP) per sistemi MIMO. Problema duale dell'AP.
5. Stima dello stato e retroazione dinamica delle misure. Osservatore modello ed identitÃ. Retroazione dinamica delle misure. Regolatore LQ a tempo infinito con retroazione mediante osservatore dello stato.
6. Cenni di teoria delle probabilità e processi stocastici
7. Stima dello stato in ambiente stocastico. Stima ottima dello stato. Filtro di Kalman (FK). Interpretazioni dei guadagni del FK. Filtro di Kalman stazionario: equazione algebrica di Riccati e condizioni di esistenza ed unicità della sua soluzione.
8. Regolazione in ambiente stocastico. Indice di comportamento. Regolatore LQG.
   
   Seconda Parte

1. Richiami di Dinamica del volo. Assi di riferimento. Modello del corpo rigido a 6 gradi di libertÃ. Linearizzazioni nell'intorno di condizioni di volo stazionario: modello della dinamica longitudinale e laterale. Modelli di ordine ridotto. Disturbi atmosferici e modello stocastico del vento. Qualità di volo.
2. Progetto di di sistemi di controllo del volo con metodi classici. Stability Augmentation Systems (SAS): pitch rate SAS ed altri SAS per la dinamica longitudinale. SAS per la dinamica laterale: yaw dumper, roll rate dumper, stabilizzazione del modo spiral. Attitude Control Systems (ACS): pitch ACS, roll angle ACS, wing leveller, coordinamento della virata, sistemi di soppressione dello scivolamento laterale, stabilità direzionale. Flight Path Control System (FPCS): height hold system, speed control system, direction control system, heading control system, VOR-coupled automatic tracking system, ILS localizer coupled control system, ILS glide-path-coupled control system, automatic landing system
3. Progetto di sistemi di controllo del volo con il controllo ottimo LQ ed LQG. Determinazione degli ingressi (deflessioni delle superfici di comando e “manettaâ€) di set point per imporre la condizione di volo (steady state control). Ingressi e manovre. Stabilizzazione della condizione di volo mediante controllo LQ. Autopiloti per la dinamica longitudinale mediante regolatore LQ: controllo dell'altezza di volo e della velocità relativa all'aria, glide slope capture and hold, flare. Autopiloti per la dinamica laterale mediante regolatore LQ: controllo del “bank angle†e della forza laterale, controllo dell'heading e della forza laterale. Controllo LQ nel caso di dinamiche accoppiate: virata e virata coordinata. Attenuazione degli effetti del vento. Controllo LQG per il caso in cui non tutte le variabili di assetto siano disponibili ed in presenza di vento e rumori di misura. Cenni ai metodi di guida. Inquadramento dell'autopilota nel sistema di navigazione, guida e controllo. Progetto di un sistema NGC per l'inseguimento di traiettorie di volo parametrizzate nel tempo. Cenni ai sistemi di guida e controllo per missili ed al fault tolerant control per sistemi non lineari.

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Testi/Bibliografia

Prima Parte

M. Tibaldi. Progetto di Sistemi di Controllo.Pitagora Editrice. Bologna
B.D.O. Anderson, J.B. Moore. Optimal Control: Linear Quadratic Methods. Prentice Hall Information and System Sciences Series

Seconda Parte

Dispense del docente (presso AMS Campus)

D. McLean. Automatic Flight Control Systems. Prentice Hall Series in Sytems and Control Engineering
A.E. Bryson, Jr. Control of Spacecraft and Aircraft. Princeton University Press.

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni in classe. Vengono effettuate esercitazioni di laboratorio utilizzando Matlab e Simulink. Lo scopo è di portare lo studente a progettare autopiloti e testarne le proprietà.

Inoltre vi è a disposizione un laboratorio presso il laboratori di ingegneria aerospaziale per esempi di programmazione di flight controllers e per esempi avionic devices

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

COLLOQUIO CON LO STUDENTE

Tesina facoltativa: la tesina riguarda il progetto di un autopilota, o più in generale di un sistema di Navigazione, Guida e Controllo in Matlab/Simulink o UNIX/ROS/GAZEBO

Strumenti a supporto della didattica

Laboratorio. Videoproiettore, PC, lavagna luminosa. Software matlab/simulink.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Paolo Castaldi