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Responsable(s) Ruxandra Botez

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École de technologie supérieure

Responsable(s) de cours : Ruxandra Botez


PLAN DE COURS

Automne 2015
GPA741 : Systèmes de commande des avions (3 crédits)





Préalables
Aucun préalable requis
Unités d'agrément
Total d'unités d'agrément : 64,8 50,0 % 50,0 %




Qualités de l'ingénieur

Qn
Qualité visée dans ce cours  
Qn
  Qualité visée dans un autre cours  
  Indicateur enseigné
  Indicateur évalué
  Indicateur enseigné et évalué



Descriptif du cours
À la fin de ce cours, l’étudiant sera en mesure : d’illustrer la conception des systèmes de commande des avions; de déterminer le comportement d’un avion selon le point de vue du pilote et de l’ingénieur; d’identifier les qualités de vol d’un avion.

Résolution des problèmes de dynamique et de stabilité de l'avion : étude du comportement latéral et longitudinal de l'avion. Calcul des qualités de vol et de maniabilité en fonction de la classe de vol, la phase de vol, la fréquence et l'amortissement, la reconnaissance des problèmes d'oscillations induits par le pilote et liés aux systèmes de commande et aux qualités de vol de pilotes. Application des méthodes de commande sur les avions tels le système d'allégement à une rafale et le système de confort des passagers.

Séances de laboratoire : utiliser le vocabulaire et les outils de conception appropriés; simuler les systèmes de commande en aéronautique.



Objectifs du cours

Le but de ce cours est de permettre à l’étudiant d’utiliser efficacement les outils de simulation pour la commande des avions, principalement avec Matlab. L’étudiant pourra concevoir des systèmes de commande active sur les avions à commande électrique, des systèmes avioniques de bord et de déterminer le comportement de l’avion vu par le pilote et l’ingénieur; plus spécialement le niveau et les qualités de vol de l’avion.

 

OBJECTIFS SPÉCIFIQUES

 

À la fin de ce cours, l’étudiant devrait être capable de :

  • Reconnaître le comportement d’un avion en mouvement longitudinal et latéral, calculer le type d’avion en fonction du poids, calculer les qualités de vol et de maniabilité en fonction de la classe de vol, la phase de vol, la fréquence et l’amortissement. Tous ces critères sont très importants pour le pilote et l’ingénieur.

  • Résoudre des problèmes de dynamique et de stabilité de l’avion. Reconnaître aussi les problèmes des oscillations induites par le pilote (PIO), liés aux systèmes de commande et aux qualités de vol du pilote. Ces problèmes sont vitaux pour le pilote.

  • Appliquer les méthodes de commande optimale sur des systèmes de commande active, sur les avions à commande électrique tels que le système d’allégement à une rafale et le système de confort des passagers. Ces systèmes de commande active sont étudiés pour les avions flexibles à commande électrique équipés avec des systèmes actifs de commande.

  • Résoudre des problèmes surtout liés à l’industrie aéronautique, Bombardier aéronautique (Département Sciences de vol) et CAE Électronique (Département avionique).

     




Stratégies pédagogiques
  • Chaque semaine aura lieu un cours magistral d’une durée de trois heures réparties entre l’enseignement des principes de commande propres au domaine aéronautique et leur mise en application à l’aide des outils de commande tels que Matlab utilisés en industrie.
  • Chaque semaine aura également lieu un laboratoire de trios heures dédié à l’application des connaissances du logiciel Matlab aux systèmes de commande des avions.
  • Le projet et les travaux pratiques réalisés en dehors des heures de cours et de laboratoire, permettront de mettre en pratique les notions vues en classe.



Utilisation d’appareils électroniques

Ne s'applique pas.




Horaire
Groupe Jour Heure Activité
01 Lundi 13:30 - 17:00 Activité de cours
Mercredi 13:30 - 16:30 Travaux pratiques



Coordonnées de l’enseignant
Groupe Nom Activité Courriel Local Disponibilité
01 Yamina Boughari Activité de cours yamina.boughari.1@ens.etsmtl.ca
01 Georges Ghazi Travaux pratiques cc-Georges.Ghazi@etsmtl.ca



Cours

 

 

COURS

ACTIVITÉ DES COURS

HEURES

1

Introduction à l’aérodynamique et aux avions

Introduction à l’aérodynamique

Types de l’écoulement de l’air. Soufflerie aérodynamique. La résistance de l’air. La résultante aérodynamique sur une plaque inclinée.  Géométrie des profils d'aile : corde, angle d’attaque, allongement, cambrure relative, la position de la cambrure maximale, le rayon de courbure du bord d’attaque, l’épaisseur relative et la variation de l’épaisseur le long de la corde. Classification des profils selon leur ligne moyenne. Expression du coefficient de portance, coefficient de traînée, finesse aérodynamique, polaire, rapport de la portance à la traînée, position du centre de poussée, ou le coefficient de moment. Dispositifs hypersustentateurs.

Introduction aux avions

Les régimes de vol : palier rectiligne uniforme, montée rectiligne uniforme, descente rectiligne uniforme, en virage symétrique en palier. Surfaces de commande.

L’ordinateur des données de l'air ADC

À partir des données mesurées par les capteurs de pression à l’aide de l’ADC, nous allons calculer les valeurs de l’altitude, le nombre de Mach et la vitesse calibrée qui seront affichés sur les instruments du tableau de bord d’un avion. Tracé et validation des graphiques de :

  1. la vitesse de son,
  2. facteur de réduction de densité et
  3. pression statique vs l’altitude,
  4. rapport des pressions vs nombre de Mach,
  5. pression dynamique vs la vitesse calibrée.

3

2

Équations de mouvement longitudinal de l’avion – solution exacte et solution approximative

Le système des axes pour l’avion. Dérivation des équations de mouvement de l’avion. Calcul des forces et des moments de l’avion par la loi de Newton. Orientation et position de l’avion. Vitesse absolue en fonction des angles d’Euler. Calcul des forces gravitationnelles et des forces de propulsion. Théorie des petites perturbations. Calcul des dérivées de stabilité. Solution exacte et  approximative de la stabilité longitudinale de l’avion.

Séparation du mouvement :

  1. Période courte et
  2. Période longue.

3

3

Solution exacte et approximative de la stabilité latérale de l’avion. 

Séparation du mouvement :

  1. Roulis,
  2. Roulis hollandais et
  3. Spirale. 

Classification des classes d’avions en fonction de leurs poids.  Les phases de vol des avions : terminales  et non terminales. Calcul des qualités de vol d’un avion en fonction de la fréquence et de l’amortissement calculés de l’avion.

3

4

Stabilité statique de l’avion vue par le pilote :

  1. Longitudinale,
  2. Directionnelle,
  3. Latérale. 

Stabilité dynamique de l’avion vue par le pilote : positive, neutre, négative.

Modes dynamiques de mouvement de l’avion vus par le pilote :

  1. Période  courte,
  2. Période longue,
  3. Roulis,
  4. Spirale et
  5. Roulis hollandais. 

Caractéristiques des systèmes en boucle ouverte vs boucle fermée. Le mouvement statique longitudinal d’un avion vu par le pilote. La mesure de la stabilité longitudinale – M?  vue par le pilote.  Les dérivées de stabilité longitudinales Mq et M? vues par le pilote.

3

5

Stabilité dynamique longitudinale de l’avion vue par le pilote :

  1. Période longue  et  
  2. Période courte.

Réponses dynamiques longitudinales vues par le pilote.  

Dérivées de stabilité latérale directionnelle vues par le pilote :

  1. Stabilité directionnelle N?   ( Moment de lacet dû à l’angle de glissade ??),
  2. Dérivées d’amortissement Nr et Lp ,
  3. L’amortissement de roulis Lp (Moment de roulis dû au taux de roulis p ),
  4. Dérivées de couplage L?, Lr et Np ,
  5. L’effet dièdre L? (Moment de roulis dû à l’angle de glissade ??),
  6. Roulis dû au taux de lacet Lr ,
  7. Lacet dû au taux de roulis Np.

Dérivées de couplage de commande :

  1. Moment de roulis dû aux entrées de commande de roulis L?a,
  2. Moment de lacet dû aux entrées de commande de lacet N?r,
  3. Moment de lacet dû aux entrées de commande de roulis N?a,
  4. Moment de roulis dû aux entrées de commande de lacet L?r

Stabilité statique directionnelle vue par le pilote. Stabilité dynamique latérale directionnelle vue par le pilote.

3

6

Vibration libre d'un système non amorti. Solution du mode normal. Méthodes de commande classique : Méthode de placement des racines (Single pole placement) et 2) Méthode de placement des 2 racines. Méthode des valeurs propres : Exemples 1 et 2.

Le lieu des racines : Théorie et 6 exemples.  Étapes pour la construction de lieu des racines.

3

7

EXAMEN INTRA SEMESTRIEL

3

8

Introduction aux systèmes de commande des avions :

  1. Le lieu des racines,
  2. La stabilité du système,  
  3. Racines, zéros et asymptotes du système en boucle fermée,
  4. Spécifications dans le domaine du temps,
  5. Méthode de résolution par l'espace d'état : Contrôlabilité et Observabilité.

3

9

Exemples de stabilité, commande de l’avion et l'influence des rafales. Théorie sur des rafales rectangulaires, rafales 1-cosinus et rafales instationnaires.

Exemples :

  1. Le facteur de charge dû à une rafale maximale statique pour le Lockheed Jetstar,
  2. Théorie du mouvement de roulis pur en domaine temporel et fréquentiel
  3. Vitesse de roulis par le DC-8,  
  4. Variation dans l’angle de roulis de l’avion dû à l’application d’un impulse,
  5. Réponse d’un avion sous une contrainte de roulis pure.

3

10

Exemples de stabilité, commande de l’avion et l'influence des rafales (suite).

Exemples :

  1. L’amplitude et l’angle de DC-8 suite à l’application d’une déflexion d’angle de l’aileron de 50,
  2. Valeurs et vecteurs propres du mouvement latéral de l’avion,
  3. Approximation de roulis hollandais afin d’estimer la dynamique latérale directionnelle d’un avion DC-8 dans un vol de croisière,
  4. Mouvement de roulis pur pour un avion en virage stationnaire vers la gauche avec angle de roulis de 30du DC-8,
  5. Réponse de l’angle de roulis par rapport à l’entrée donnée de la déflexion d’angle de l’aileron du DC-8,
  6.  L’approximation simplifiée du mode de roulis hollandais du DC-8,
  7. Retour de la vitesse de lacet dans la matrice de gain afin d’en augmenter l’amortissement de mode de roulis hollandais du DC-8.

3

11

Systèmes de commande d’un avion :

  1. Système d’augmentation de la stabilité du  F-16,
  2. Système de commande de l’angle de roulis,
  3. Stabilité latérale de l’avion B-747,
  4. Perturbation de l’avion.
  5. Indice de performance.

3

12

Commande optimale, méthode LQP, Méthode Explicit model following, Exemples avec la méthode LQP et LQR. Illustration d’un système d’augmentation de stabilité. Exemple de modèle de l’avion B-52 rigide.

3

13

Révision générale.

3

 

 




Laboratoires et travaux pratiques

LABO

ACTIVITÉES DE LABORATOIRES

HEURES

1

Air Data Computer-Partie1

3

Air Data Computer-Partie2

3

2

Qualités de vol l’avion-Partie1

3

Qualités de vol l’avion-Partie2

3

3

Le lieu des racines- Partie1

3

Le lieu des racines- Partie2

3

4

Utilisation des instruments de vol dans la simulation sur Flight Simulator FMS- Partie1

3

Utilisation des instruments de vol dans la simulation sur Flight Simulator FMS- Partie2

3

5

 

Système de commande d’allègement a une rafale pour Airbus A-310- Partie 1

3

Système de commande d’allégement a une rafale pour Airbus A-310- Partie 2

3

6

Système de Pilotage automatique-Partie1

3

Système de Pilotage automatique-Partie2

3




Utilisation d'outils d'ingénierie

Ne s'applique pas.




Évaluation

ACTIVITÉ

DATE

%

Laboratoires

 

30

Intra

3 heures

30

Final

3 heures

40

 




Politique de retard des travaux
Tout travail (devoir pratique, rapport de laboratoire, rapport de projet, etc.) remis en retard sans motif valable, c’est-à-dire autre que ceux mentionnés à l’article 6.5.2 du Règlement des études, se verra attribuer la note zéro, à moins que d’autres dispositions soient communiquées par écrit par l’enseignant dans les consignes de chaque travail à remettre ou dans le plan de cours pour l’ensemble des travaux.

Dispositions additionnelles

Ne s'applique pas.




Absence à un examen
• Pour les départements à l'exception du SEG :
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence d’un examen durant le trimestre auprès de la coordonnatrice – Affaires départementales qui en référera au directeur du département. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note zéro (0).

• Pour SEG :
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence auprès de son enseignant. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note zéro (0).



Plagiat et fraude
Les clauses du « Chapitre 10 : Plagiat et fraude » du « Règlement des études de 1er cycle » s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Afin de se sensibiliser au respect de la propriété intellectuelle, tous les étudiants doivent consulter la page Citer, pas plagier ! http://www.etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Guichet-interactif/Citer-pas-plagier



Documentation obligatoire
  • BOTEZ, R.M., Notes de cours, 2001.

  • BOTEZ, R.M., Notes de laboratoires, 2001.

 




Ouvrages de références
  • PARRAG, M.L. et al. Augmented Aircraft Handling Qualities Issues Canadair ACT Program Flight Test Training

  • COLLINSON, R.P.G. (1996).Introduction to Avionics.

  • BLAKELOCK, J.H. (1991). Automatic Control of Aircraft and Missiles.

  • McLEAN, D. (1990). Automatic Flight Control Systems.

     




Adresse internet du site de cours et autres liens utiles

http://www.etsmtl.ca/Programmes-Etudes/1er-cycle/Fiche-de-cours?Sigle=GPA741