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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 2020
GPA741 : Systèmes de commande des avions (3 crédits)


Modalités de la session d’automne 2020
Pour assurer la tenue de la session d’automne 2020, les modalités suivantes seront appliquées :


La plupart des cours de la session d'automne seront donnés à distance. Les autres seront donnés en présence. Cette information vous a déjà été communiquée.

L’étudiant inscrit à un cours à distance doit avoir accès à un ordinateur, un micro, une caméra et un accès à internet, idéalement de 10Mb/s ou plus.

Les cours à distance pourraient être enregistrés, à la discrétion de l’ÉTS. Le cas échéant, les enregistrements de cours pourraient notamment être rendus accessibles aux étudiants par le biais notamment du portail de l’ÉTS.

La notation des cours sera la notation régulière prévue aux règlements des études de l'ÉTS.

Pour les cours à distance, les examens (intra, finaux) se feront normalement à distance. Leur surveillance se fera à l’aide de la caméra et du micro de l’ordinateur et pourrait être enregistrée. Ceci est nécessaire pour se conformer aux exigences du Bureau canadien d’agrément des programmes de génie (BCAPG) afin d’assurer la validité des évaluations.
 
Le contexte actuel oblige bien sûr l’ÉTS à envisager la possibilité d’une deuxième vague de la pandémie de COVID-19, laquelle pourrait entraîner, après le début de la session d’automne 2020, un resserrement des directives et recommandations gouvernementales. Nous vous assurons que l’ÉTS se conformera aux règles en vigueur afin de préserver la santé publique et que, si requis, elle pourrait aller jusqu’à interdire l’accès physique au campus universitaire et ordonner la dispense en ligne de toutes les activités d’enseignement et d’évaluation pour la durée restante de la session d’automne 2020.

Des exigences additionnelles pourraient être spécifiées par l’ÉTS ou votre département, suivant les particularités propres à votre programme.

Si vous ne consentez pas aux modalités décrites précédemment, vous devez vous désinscrire de vos cours avant le 13 septembre et vous pourrez être remboursé.

Pour les nouveaux étudiants inscrits au programme de baccalauréat uniquement, vous devez vous désinscrire avant le 25 septembre et vous pourrez être remboursé.

En demeurant inscrit, vous acceptez les modalités particulières de la session d'automne 2020.




Préalables
Programme(s) : 7485,7885
             
  Profils(s) : Tous profils  
             
    GPA535    
             
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

Historique de l’aéronautique. Introduction à la mécanique du vol. Modélisation mathématique de l’avion : définition des repères, équations du mouvement non-linéaire, linéarisation et découplage des mouvements longitudinal et latéral. 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 manœuvrabilité 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. Système de commande de vol : système d’augmentation de la stabilité, système d’augmentation de la contrôlabilité, et pilote automatique. Application de méthodes de commande : méthodes classiques (placement à une/deux racines, lieu des racines), méthodes modernes (commande par retour d’état, commande optimale). Conception d’un observateur d’état.

 

Des séances de laboratoire axés sur la Matlab/Simulink permettront aux étudiants d’apprendre à utiliser le vocabulaire et les outils de conception appropriés. Ils apprendront également à modéliser et simuler certains systèmes avioniques, et à concevoir puis implémenter des systèmes de commande pour améliorer la stabilité de l’avion. Pour finir, les étudiants apprendront aussi comment concevoir un pilote automatique pour contrôler le mouvement d’un avion.

 

Objectifs du cours                                                                                       

L’objectif de ce cours est de permettre aux étudiants d’apprendre à :

  • Développer un modèle non linéaire de l’avion, ainsi que des modèles linéaires autour d’un point d’équilibre.
  • Analyser le comportement de l’avion et conclure sur la stabilité longitudinale et sa stabilité latérale de ce dernier.
  • Déterminer les qualités de vol et de manœuvrabilité de l’avion en fonction de la classe de vol, la phase de vol, la fréquence et l’amortissement.
  • Résoudre des problèmes de dynamique et de stabilité de l’avion, et à reconnaître les problèmes des oscillations induites par le pilote (PIO).
  • Utiliser des méthodes de commande classiques et modernes pour améliorer la stabilité de l’avion, et pour contrôle un axe de mouvement (tangage, lacet ou roulis).
  • Utiliser des méthodes de commande classiques et modernes pour concevoir des pilotes automatiques (capteur d’altitude, maintien d’altitude, capture de cap, etc.).



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 trois heures dédié à l’application des connaissances du logiciel Matlab aux systèmes de commande des avions.



Utilisation d’appareils électroniques

Ne s'applique pas.




Horaire
Groupe Jour Heure Activité



Coordonnées de l’enseignant
Groupe Nom Activité Courriel Local Disponibilité



Cours

 

COURS

ACTIVITÉ DES COURS

HEURES

1

Historique de l’avion : Introduction à l’aéronautique, chronologie des avions, des découvertes et des travaux fais par des inventeurs, des ingénieurs, des pilotes et des mécaniciens.

Introduction à l’aérodynamique : Types d’écoulement de l’air, soufflerie aérodynamique, 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.

3

2

Base de la mécanique du vol : Introduction aux équations de l’avion : palier rectiligne uniforme, montée rectiligne uniforme, descente rectiligne uniforme, en virage symétrique en palier. 

Modélisation de l’atmosphère standard : Introduction aux équations décrivant les caractéristiques de l’atmosphère : pression, température, densité et vitesse du son.

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.

3

3

Présentation des systèmes de références : Repère inertiel, géographique, avion, stabilité et vent. Changement de repères et matrice de rotation.

Équations de mouvement de 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.

Modèle linéaire de l’avion : Rappel su les modèles d’état. Théorie des petites perturbations. Application à l’avion. Linéarisation du mouvement longitudinal et du mouvement latéral de l’avion. Introduction aux dérivées de stabilité.

3

4

Étude du mouvement longitudinal d’un avion : Stabilité statique et contrôle longitudinal. Présentation et interprétation des dérivées de stabilité longitudinales.  Représentation linéaire du mouvement longitudinal de l’avion. Séparation du mouvement et introduction des modes longitudinaux de l’avion : période courte et période longue. Solution exacte et approximation des modes longitudinaux de l’avion.

Qualités de vol et de manœuvrabilité (longitudinal) : Introduction aux qualités de vol et de manœuvrabilité pour le mouvement longitudinal. Présentation de l’échelle de satisfaction de Cooper-Harper. Oscillations induites par le pilote. Niveau des qualités de vol.

3

5

Étude du mouvement latéral d’un avion : Stabilité statique et contrôle latéral. Présentation et interprétation des dérivées de stabilité longitudinales. Représentation linéaire du mouvement latéral de l’avion. Séparation du mouvement et introduction des modes latéraux de l’avion : roulis pur, roulis Hollandais, et spirale. Solution exacte et approximation des modes latéraux de l’avion.

Qualités de vol et de manœuvrabilité (latéral) : Introduction aux qualités de vol et de manœuvrabilité pour le mouvement longitudinal. Présentation de l’échelle de satisfaction de Cooper-Harper. Oscillations induites par le pilote. Niveau des qualités de vol.

3

6

Introduction à la commande classique :  Rappels sur les notions importantes de la commande des systèmes. Méthodes de commande classiques – placement à une racine, placement à deux racines. Exemple d’applications aux avions.  

Révision pour l’examen intra

3

7

EXAMEN INTRA - le 14 octobre 2020

3

8

Méthodes de commande classiques :  Rappel sur la théorie du lieu des racines. Étapes pour la construction du lieu de racine pour les systèmes linéaires. Exemple d’applications aux avions.

3

9

Systèmes d’augmentation de la contrôlabilité : Système d’augmentation de stabilité (SAS) et d’augmentation de la contrôlabilité (CAS). Exemples réels de systèmes implémentés sur certains avions tel que le Concorde. Applications aux avions. Exemples pratiques sur Matlab/Simulink.

3

10

Introduction au pilotage automatique : Présentation des modes d’un pilote automatique : longitudinaux et latéraux. Exemples pratiques sur Matlab/Simulink.

3

11

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

3

12

Introduction à la commande moderne : Introduction à la commande par retour d’état. Rappels sur les notions de contrôlabilité, et d’observabilité. Méthodes pratiques pour placer des racines en utilisant un retour d’état. Exemples de conception d’un correcteur par retour d’état.  Exemples de conception d’un observateur d’état.

3

13

Commande de vol optimale : Introduction à la commande optimale. Présentation des méthodes LQR/LQP/LQG. Rajout d’un effet intégral dans la commande LQR. Illustration d’un système d’augmentation de stabilité.

3

 

 




Laboratoires et travaux pratiques

Dépendamment du rythme d'enseignement, une visite sera organisée au local A-3420 du laboratoire LARCASE (www.larcase.etsmtl.ca) pour présenter aux étudiants le simulateur de vol de l'avion d'affaires Cessna Citation X, équipement de recherche réalisé par CAE Inc. et obtenu par la Dr Botez avec sa demande de fonds canadiens d'innovation FCI.

LABO

ACTIVITÉES DE LABORATOIRES

HEURES

1

Étude des performances aérodynamiques d’un avion

3

2

Modélisation d’une atmosphère et d’une centrale aérodynamique – (ADC)

3

3

Initiation à la modélisation dynamique d’un avion

3

4

Analyse de la stabilité longitudinale d’un avion - (Partie 1)

3

5

Analyse de la stabilité longitudinale d’un avion - (Partie 2)

3

6

Analyse de stabilité latérale d’un avion - (Partie 1)

3

7 Analyse de stabilité latérale d’un avion - (Partie 2)

3

8 Conception d'un système d’augmentation de la stabilité (SAS - latéral)

3

9 Conception d'un système d’augmentation de la contrôlabilité (CAS - latéral)

3

10 Commande par retour d’état et commande optimale (LQR)

3




Utilisation d'outils d'ingénierie

Matlab et Simulink.




Évaluation

ACTIVITÉ

DATE

%

Laboratoires

Voir section sur les laboratoires.

30

Examen intra

Examen écrit incluant : questions à choix multiples et problèmes à résoudre.

30

Projet en équipe Les étudiants devront formés des équipes (2 étudiants maximum par équipe), ou travailler individuellement en fonction du nombre d’étudiants inscrits. Chaque équipe devra concevoir un pilote automatique pour le mouvement longitudinal/latéral de l’avion. 10

Examen final

Examen écrit incluant : questions à choix multiple et problèmes à résoudre.

30

 




Dates des examens intra
Groupe(s) Date
1 14 octobre 2020



Date de l'examen final
Votre examen final aura lieu pendant la période des examens finaux, veuillez consulter l'horaire à l'adresse suivante : http://etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Examens-finaux


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 dans le Règlement des études (1er cycle, article 7.2.7 b / cycles supérieurs, article 6.5.4 b) se verra attribuer la note zéro, à moins que d’autres dispositions ne 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.



Absence à un examen
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivants, 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 ou du SEG. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Dans tous les cas, l’étudiant doit effectuer sa demande en complétant le formulaire prévu à cet effet qui se trouve dans son portail Mon ÉTS/Formulaires. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat, Activité compétitive d’un étudiant appartenant à un club scientifique ou un club sportif d’élite de l’ÉTS ou au programme « Alliance sport étude » ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note zéro (0).



Infractions de nature académique
Les clauses du « Règlement sur les infractions de nature académique de l’ÉTS » s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Les étudiants doivent consulter le Règlement sur les infractions de nature académique (https://www.etsmtl.ca/docs/ETS/Gouvernance/Secretariat-general/Cadre-reglementaire/Documents/Infractions-nature-academique ) pour identifier les actes considérés comme étant des infractions de nature académique ainsi que prendre connaissance des sanctions prévues à cet effet.  À l’ÉTS, le respect de la propriété intellectuelle est une valeur essentielle et les étudiants sont invités à consulter la page Citer, pas plagier ! (https://www.etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Citer-pas-plagier).



Documentation obligatoire
  • Aucun.

 




Ouvrages de références
  • Botez, R., Notes de cours, Systèmes de commande des avions, révisée septembre 2015.
  • 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

https://ena.etsmtl.ca




Autres informations

Ne s'applique pas.