Автоматизація випробувань та налаштування складових коріолісового вібраційного гіроскопа
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Строкач Г.Ю. Автоматизація випробувань та налаштування складових коріолісового вібраційного гіроскопа. — Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології (15 – Автоматизація та приладобудування) – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального науково-прикладного завдання з автоматизації процесів налаштування та балансування коріолісових вібраційних гіроскопів (КВГ) із металевим циліндричним резонатором. Серед інших сучасних типів гіроскопів КВГ є основою інерціальних систем середнього класу точності, і їх виробництво опановано в Україні. Зважаючи на необхідність переходу від одиничного виробництва до серійного, постає проблема недосконалості наявних підходів до випробувань та налаштування КВГ. Ці підходи ґрунтуються на автоматизованому тестуванні й регулюванні параметрів, які не оптимізовані за часом і не враховують динамічних похибок, зокрема температурного дрейфу під час випробувань. З огляду на це, виникає гостра науково-прикладна потреба у вдосконаленні існуючих систем автоматизації випробувань та налаштування КВГ для мінімізації суб’єктивного впливу, підвищення точності результатів та скорочення тривалості технологічного циклу виготовлення приладу Внаслідок неідеальностей виготовлення резонатора, в ньому виникає розщеплення власної частоти – різночастотність. Випробування резонатора на наявність різночастотності проводяться на різних етапах виробництва для своєчасного виявлення та корекції. Основним способом корекції різночастотності є процедура балансування резонатора у складі чутливого елемента – ітеративне вимірювання різночастотності та видалення незбалансованої маси з резонатора. Оскільки вимірювання різночастотності є тривалим процесом, що багаторазово повторюється, актуальним є вдосконалення автоматизації таких випробувань. Функціонування системи керування КВГ базується на роботі чотирьох контурів: фази, амплітуди, компенсації та квадратури. Кожен із цих контурів для стабільної роботи потребує належного налаштування коефіцієнтів ПІД-регулятора. Підвищення точності та швидкодії процесу налаштування параметрів системи керування КВГ має на меті оптимізацію виробництва та підвищення точності датчика загалом. Для досягнення максимально ефективних результатів у роботі пропонуються та обґрунтовуються критерії й методи оптимального синтезу коефіцієнтів ПІД-регуляторів. Для випадків, коли фізичне балансування є неможливим або недостатнім, у трирежимну систему керування впроваджується алгоритм автоматичної компенсації різночастотності. Такий алгоритм компенсації передбачає введення додаткового блока в структуру системи керування (п’ятий ПІД-регулятор), який формує сигнал для обнулення квадратурної складової на виході основного регулятора. Це дозволяє мінімізувати вплив температурного дрейфу та стабілізувати значення різночастотності під час експлуатації приладу. Перший розділ містить детальний аналіз сучасного стану автоматизації випробувань гіроскопів. Наводяться фізичні принципи роботи КВГ та режими роботи системи керування: режим датчика кутової швидкості, інтегруючий (датчик кута) та диференціальний режими. Окрему увагу приділено трирежимній системі керування, яка дозволяє об’єднати переваги всіх режимів в одному приладі без зміни апаратної частини. У другому розділі розглядаються математичні аспекти роботи різних складових системи керування КВГ, які необхідні для автоматизації випробувань. Наведена математична модель циліндричного резонатора на основі двовісного маятника. Проведено розрахунок власних частот для циліндричного металевого резонатора. Розглянуто математичні аспекти режимів роботи КВГ. Проаналізовано способи демодуляції сигналу, що використовуються в системах керування КВГ. Описано роботу ПІД-регулятора, який використовується в контурах керування стоячою хвилею. Розглянуто системи генерації стоячої хвилі: фазовий автопідстроювач частоти та регулятор амплітуди коливань. Третій розділ присвячений опису розроблених методів налаштування та випробування складових КВГ. Описано автоматичне визначення власної частоти резонатора та визначення його різночастотності. Наведено наявний метод для вимірювання параметрів дебалансу (різночастотність, кут незбалансованої маси) та балансування резонатора на основі амплітудно-частотної характеристики чутливого елемента. Представлено метод балансування на основі обертання стоячої хвилі, який має на меті покращити вимірювання параметрів дебалансу та інформаційну модель процесу. Описано принципи налаштування ПІД-регуляторів для системи керування. Наведено наявні методи налаштування ПІД-регуляторів, які випробовувалися для використання у автоматичному налаштуванні контурів керування. Описано принципи налаштування регуляторів для контурів системи керування та представлено інформаційну модель процесу. Для компенсації залишкової різночастотності (не більше 0,03 Гц) представлено автоматичну компенсацію різночастотності на основі керування стоячою хвилею. У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень для розроблених методів. Представлено автоматичне вимірювання власної частоти акустичним методом на початкових етапах виготовлення КВГ. Наведено результати вимірювання різночастотності методом обертання стоячої хвилі. Наведено результати балансування з використанням визначення параметрів дебалансу методом обертання стоячої хвилі. Зокрема, представлено результати вимірювання різнодобротності, що здійснюється під час обертання стоячої хвилі. Представлено результати вимірювань вихідного сигналу системи керування у режимі датчика кутової швидкості при різних методах налаштування ПІД-регуляторів. Зроблені висновки про найбільш ефективні методи, які можуть застосовуватись для різних налаштувань системи керування. Представлено результати моделювання для автоматичної компенсації різночастотності. Наукова новизна роботи полягає в тому, що: 1. Удосконалено систему автоматизації випробування та налаштування КВГ на основі вдосконалення методу вимірювання різночастотності, параметрів дебалансу та налаштування ПІД-регуляторів системи керування. 2. Удосконалено метод вимірювання різночастотності на основі обертання стоячої хвилі, що дозволило збільшити точність вимірювання та врахувати температурний дрейф під час вимірювання. 3. Запропоновано та обґрунтовано критерії та методи оптимального налаштування коефіцієнтів ПІД-регуляторів автоматизованої системи випробування та налаштування. 4. Набула подальшого розвитку трирежимна система керування з можливістю автоматичної компенсації залишкової різночастотності шляхом зведення квадратурного сигналу до нуля за допомогою додаткового ПІД-регулятора на виході ПІД-регулятора квадратури. Практичне значення результатів полягає у програмно-алгоритмічному забезпечені для обертання стоячої хвилі, розрахунку параметрів дебалансу та визначення параметрів ПІД-регуляторів при налаштуванні системи керування; введенні додаткового ПІД-регулятора на виході ПІД-регулятора квадратури трирежимної системи. Практична реалізація досліджень дозволила підвищити ефективність випробувань та налаштування складових коріолісового вібраційного гіроскопа й суттєво підвищити точність вимірювання різночастотності за допомогою обертання стоячою хвилею. Результати досліджень впроваджено у виробництво, що підтверджується відповідним актом впровадження. Усі результати, що виносяться на захист, є новими. Вони неодноразово обговорювалися на міжнародних конференціях. За матеріалами дисертації опубліковано 5 статей, 6 тез конференцій, які повною мірою відображають її зміст.
Опис
Ключові слова
вібраційний гіроскоп, система керування, циліндричний резонатор, стояча хвиля, різночастотність, випробувальний стенд, автоматизація, ПІД-регулятор, vibratory gyroscope, control system, cylindrical resonator, standing wave, frequency split, test stand, automation, PID controller
Бібліографічний опис
Строкач, Г. Ю. Автоматизація випробувань та налаштування складових коріолісового вібраційного гіроскопа : дис. … д-ра філософії : 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології / Строкач Григорій Юрійович. - Київ, 2026. - 161 с.