Italiano

Questo corso introduce la progettazione di sistemi di controllo in retro-azione basate su tecniche di controllo classico, applicati a una varietà di sistemi aerei e spaziali. Gli argomenti includono l'analisi dei sistemi dinamici (stabilità, controllabilità e osservabilità), pro e vantaggi dei sistemi in retro-azione, e l’analisi delle loro prestazioni nel dominio del tempo e della frequenza.

G. MARRO, Controlli automatici, Zanichelli, 2004.
A. BALESTRINO, G. CELENTANO, teoria dei sistemi, vol.1, Liguori, 1993.
B. L. STEVENS, F. L. LEWIS, E. N. JOHNSON, Aircraft Control and Simulation, Wiley, 2015.
J. ROSKAM., Airplane Flight Dynamics and Automatic Flight Control, Roskam Aviation, 2018.

Al termine dell’insegnamento, lo studente sarà in grado di:
1)Descrivere i concetti fondamentali alla base della regolazione e del controllo dei sistemi dinamici.
2)Analizzare il comportamento di sistemi di controllo retroazionati, identificandone stabilità, prestazioni e robustezza.
3)Applicare gli strumenti di base per la modellazione e lo studio di sistemi dinamici lineari.
4)Progettare algoritmi di controllo classico per velivoli ad ala fissa o ad ala rotante, utilizzando tecniche standard di controllo.
5)Valutare le prestazioni dei sistemi di controllo progettati, interpretando correttamente i risultati delle simulazioni e delle analisi in frequenza o nel dominio del tempo.

Conoscenza di meccanica e dinamica del volo.

Lezioni frontali ed esercitazioni in Matlab/Simulink.

Esame orale.

Ulteriore materiale didattico utilizzato a lezione verrà reso disponibile agli studenti durante le lezioni o via email.

Sistemi dinamici: variabili di ingresso, stato ed uscita, rappresentazioni di stato e ingresso-uscita, classificazione dei sistemi dinamici.
Sistemi non lineari: punti di equilibrio di un sistema non lineare, linearizzazione intorno ad una traiettoria e ad un punto di equilibrio.
Cenni sulla realizzazione analogica e sulla realizzazione digitale di un sistema di controllo.: digitalizzazione di un sistema d a tempo continuo. I sistemi a dati campionati: campionatore e filtro ZOH. Rappresentazione a dati campionati di un sistema lineare a dimensione finita.
Analisi di sistemi lineari e stazionari a tempo continuo e discreto: il principio di sovrapposizione degli effetti, risposta in evoluzione libera e risposta forzata. Calcolo della matrice di transizione attraverso la diagonalizzazione. I modi naturali.
Analisi di sistemi lineari e stazionari a tempo continuo (LTI-TC) con l’ausilio della trasformata di Laplace: funzione di trasferimento, risposta impulsiva e risposta al gradino, parametri caratteristici della risposta al gradino, risposta a segnali polinomiali e sinusoidali, risposta a regime e transitoria.
Analisi di sistemi lineari e stazionari a tempo discreto con l’ausilio della Z-trasformata : funzione di trasferimento, risposta impulsiva e risposta al gradino, risposta a regime e transitoria.
Risposta in frequenza di un sistema lineare e stazionario: serie e trasformata di Fourier, teorema della funzione di risposta armonica.
Stabilità dei punti di equilibrio: stabilità semplice e asintotica, instabilità. Esempi di analisi della stabilità dei punti di equilibrio di sistemi non lineari (pendolo, etc.). Cenni sulla Teoria di Lyapunov. Stabilità dei sistemi lineari. Principio di invarianza di Lasalle. Teorema di Cetaev.
Raggiungibilità e controllabilità nel tempo continuo e nel tempo discreto. Controllo a uno stato di equilibrio con retroazione dello stato. Forma canonica di osservabilità e forma canonica di raggiungibilità.
Analisi della stabilità dei sistemi a ciclo chiuso: tracciamento dei diagrammi di Bode e Nyquist, il criterio di Nyquist. Margini di stabilità.
Proprietà fondamentali dei sistemi di controllo in retroazione.
Controllori PID: analisi delle prestazioni nel dominio della frequenza.
Tecniche di assegnamento dei poli.
Osservatore dello stato. Separazione degli autovalori e controllo con retroazione dell’uscita.
Sistemi di controllo del volo basati sul controllo classico.
Sistemi ad aumento della stabilità (Stability Augmentation Systems - SAS): pitch rate damper, yaw rate dumper, roll rate dumper.
Sistemi ad aumento del controllo (Control Augmentation Systems - CAS): pitch rate CAS, Lateral-directional CAS.
Autopilota: pitch attitude hold, roll-angle hold, coordinamento della virata, sistema di atterraggio automatico.

Italian

This course introduces the design of feedback control systems, based on classic control approaches, as applied to a variety of air and spacecraft systems. Topics include the analysis of dynamics systems (stability, controllability, and observability), pro and advantages of feedback systems, time-domain and frequency-domain performance measures.

G. MARRO, Controlli automatici, Zanichelli, 2004.
A. BALESTRINO, G. CELENTANO, teoria dei sistemi, vol.1, Liguori, 1993.
B. L. STEVENS, F. L. LEWIS, E. N. JOHNSON, Aircraft Control and Simulation, Wiley, 2015.
J. ROSKAM., Airplane Flight Dynamics and Automatic Flight Control, Roskam Aviation, 2018.

At the end of the course, the student will be able to:
1) Describe the fundamental concepts underlying the regulation and control of dynamic systems.
2) Analyze the behavior of feedback control systems, assessing their stability, performance, and robustness.
3) Apply basic tools for modeling and studying linear dynamic systems.
4) Design classical control algorithms for fixed-wing and rotary-wing aircraft using standard control techniques.
5) Evaluate the performance of designed control systems by correctly interpreting simulation results and analyses in the time and frequency domains.

Knowledge of flight mechanics and flight dynamics.

Lectures and practical exercises using Matlab/Simulink.

Oral examination.

Any additional course materials be made available to students during class or by email.

Dynamic systems: input, state and output variables, state and input-output representations, classification of dynamic systems.
Nonlinear systems: equilibrium points of a nonlinear system, linearization around a trajectory and an equilibrium point.
Notes on the analog implementation and digital implementation of a control system: digitalization of a continuous time system. Sampled data systems: sampler and ZOH filter. Sampled data representation of a finite-dimensional linear system.

Analysis of linear and time-invariant systems (LTI) in continuous and discrete time: the principle of superposition of effects, zero-input response and zero-state response. Diagonalization of the state matrix. Transition matrix.
Analysis of continuous-time LTI systems Laplace transform: transfer function, impulse response and step response, characteristic parameters of the step response, response to polynomial and sinusoidal signals, steady-state and transient response.
Analysis of discrete-time LTI systems Z- transform: transfer function, impulse response and step response, steady-state and transient response.
Frequency response of a linear and stationary system: series and Fourier transform.
Stability of equilibrium points: simple and asymptotic stability, instability. Examples of analysis of the stability of the equilibrium points of non-linear systems (pendulum, etc.). Notes on Lyapunov’s theory. Stability of linear systems. Lasalle’s theorem. Cetaev’s theorem.
Reachability and controllability. Equilibrium state control with state feedback. Canonical form of observability and canonical form of reachability.
Stability analysis of closed-loop systems: Bode and Nyquist diagrams, the Nyquist’s criterion. Stability Margins.
Fundamental properties of feedback control systems.
PID Controllers: Performance Analysis in the Frequency Domain.
Pole assignment techniques.
State Observer. Eigenvalue separation and output feedback control.
Flight control systems based on classical control.
Stability Augmentation Systems (SAS): pitch rate damper, yaw rate dumper, roll rate dumper.
Control Augmentation Systems (CAS): pitch rate CAS, Lateral-directional CAS.
Autopilot: pitch attitude hold, roll-angle hold, turn coordination, automatic landing system.