Узагальнена теорія та методи проектування коріолісових вібраційних гіроскопів

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorАпостолюк, Владислав Олександрович
dc.contributor.degreedepartmentприладів та систем керування літальними апаратамиuk
dc.contributor.degreefacultyавіаційних і космічних системuk
dc.contributor.degreegrantorНаціональний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"uk
dc.date.accessioned2016-06-08T13:33:46Z
dc.date.available2016-06-08T13:33:46Z
dc.date.issued2016
dc.description.abstractenCoriolis vibratory gyroscopes theory was generalized and further developed in this dissertation along with the sensitive element design methodologies. Motion equations for sensitive elements with linear, rotational, and wave both primary and secondary motions were derived and then generalized to the single system of two differential equations. This system was utilized to analyze sensitive element motions on a rotating basis in terms of amplitudes and phases of primary and secondary motions. Analysis of the sensitive element oscillations stability resulted in expressions for primary and secondary motion eigen frequencies as a functions of the sensitive element parameters and angular rate. Expressions for calculating scale factor, dynamic range, bias, and bandwidth using design parameters of sensitive element were derived. Angular rate measurement errors caused by scale factor non-linearity, vibrations, measurement and elastic axes misalignment, and angular rate variations were analysed and corresponding techniques for errors reduction and elimination were suggested. Analytical design methodologies, when such sensitive elements parameters as primary and secondary natural frequencies and relative damping factors are calculated directly from the desired main performances, were developed in this dissertation. As a result, high measurement performances of the designed and fabricated sensitive element were achieved and experimentally demonstrated. Mathematical model of an electrostatic comb-drive, which is used to drive the sensitive element into primary oscillations, incorporating effects from non-linear capacity was developed. Driving efficiency analysis resulted in obtaining conditions for the most efficient excitation modes, one of which implements driving with doubled to driving signal frequency. As a result, efficient frequency separation of noise sources and sensing signals has been achieved. Natural frequency shift from capacity non-linearity was demonstrated both theoretically and experimentally. Comb drive design recommendations that improve its efficiency and implement harmonic excitations were suggested. Micromachined sensitive element automated design software, which implements these design methodologies, was also developed. It effectively eliminates necessity for iterative design process and significantly reduces sensitive element design time. Complete mathematical model of the sensitive element motion was also used to develop systems of realistic simulation of gyroscope operation using Simulink/Matlab. Mathematical model of Coriolis vibratory gyroscopes sensitive element is terms of demodulated signals was developed in the dissertation as well. This mathematical model was used to derive transfer functions of a dynamic system where angular rate is the input rather than system parameter as in the conventional models. Amplitude and phase responses of Coriolis vibratory gyroscopes from the angular rate frequency where used to both analyze amplitude and phase dynamic error and to develop methods of bandwidth and unit step transient process optimisation. The derived set of the system transfer functions includes exact complex transfer function, slowly varying angular rate complex transfer function, split real and imaginary transfer functions, and the real valued simplified approximate transfer functions that connect input angular rate to the secondary amplitude and measured output angular rate. Performances of the latter transfer functions were studied and the acceptably good approximation of the sensitive elements within wide range of design parameters was demonstrated. Coriolis vibratory gyroscope system transfer function was used to synthesise static optimal filters for stochastic process and sensor noises based on the Wiener method. Optimal filters were developed for the white and high-pass stochastic noises and performances of the designed filters were demonstrated using realistic numerical simulations. Obtained filters are static and represented by relatively simple transfer functions. They can be implemented using analogue electronics within application specific integrated circuits. Sensitive element motion trajectory analysis resulted in simple and accurate expressions for the trajectory parameters, enabling alternative approaches to the angular rate measurements. System transfer function was used to obtain simple transfer function from the angular rate to the angle of the sensitive element motion trajectory rotation. Apart from signal processing algorithms research and development in demodulated signals, low level performance improving systems in modulated signals were developed as well. Suggested in the dissertation decoupling system is capable of highly efficient removal of undesired cross-couplings between primary and secondary oscillations. Simple system of partial decoupling is developed along with the non-linear and highly efficient complete decoupling system. This approach to decoupling was also used to design lowlevel system of cross-sensitivity removal and successfully applied to dynamically tuned gyroscopes. At the same time, the former decoupling systems were used to design temperature errors compensation systems in case when temperature readings are available in the system. Finally, system transfer functions for Coriolis vibratory gyroscopes were used to research and develop sensitive element control systems in demodulated signals. Simple and robust control system along with its transfer functions was designed to implement angular rate integrating operation mode. Highly efficient rotation angle measurement in presence of high noises was demonstrated using realistic numerical simulations. Force rebalance operation mode was implemented by another developed control system and its transfer functions. The latter system demonstrated improved performances of the angular rate measurements in terms of reaction time and measurement range.uk
dc.description.abstractruДиссертационная работа посвящена развитию и обобщению теории кориолисовых вибрационных гироскопов, созданию на её основе эффективных методов расчета и оптимизации измерительных характеристик, методов и алгоритмов управления чувствительным элементом, компенсации погрешностей, обработки и фильтрации выходных сигналов. В работе была развита и обобщена теория чувствительных элементов кориолисовых вибрационных гироскопов, на основе которой исследованы зависимости и погрешности измерительных характеристик от конструктивных параметров чувствительных элементов, ускорений, вибрации, изменений угловой скорости и температуры. Разработаны методы расчета и оптимизации измерительных характеристик, а также методы расчета конструктивных параметров чувствительных элементов с целью получения требуемых измерительных характеристик. Кроме этого разработана математическая модель кориолисовых вибрационных гироскопов в демодулированных сигналах и получены структурные схемы и передаточные функции для использования их в системах обработки сигналов и автоматического регулирования. Разработаны и исследованы низкоуровневые методы компенсации нежелательных перекрестных связей и перекрестной чувствительности, методы компенсации погрешностей измерения угловой скорости. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для автоматизированного проектирования чувствительных элементов кориолисовых вибрационных гироскопов, которые изготовляются по технологиям микро-электромеханических систем, а также системы численного моделирования их работы на основе полной математической модели в среде Симулинк/Матлаб.uk
dc.description.abstractukДисертаційна робота присвячена розвитку і узагальненню теорії коріолісових вібраційних гіроскопів, створення на її основі ефективних методів розрахунку та оптимізації вимірювальних характеристик, методів та алгоритмів керування чутливим елементом, компенсації похибок, обробки та фільтрації вихідних сигналів. В роботі були розвинута та узагальнена теорія чутливих елементів коріолісових вібраційних гіроскопів, на основі якої дослідити залежності та похибки вимірювальних характеристик від конструктивних параметрів чутливого елемента, прискорень, вібрації, варіацій кутової швидкості та температури. Розроблені методи розрахунку та оптимізації вимірювальних характеристик, а також методи розрахунку конструктивних параметрів чутливих елементів з метою отримання бажаних вимірювальних характеристик. Також розроблена математична модель коріолісових вібраційних гіроскопів в демодульованих сигналах та отримано структурні схеми і передатні функції для використання їх в системах обробки сигналів та автоматичного керування. Розроблені та досліджені низькорівневі методи компенсації небажаних перехресних зв'язків та перехресної чутливості, методи компенсації похибок вимірювання кутової швидкості. Розроблені алгоритми та програмне забезпечення для автоматизованого проектування чутливих елементів коріолісових вібраційних гіроскопів, які виготовляються за допомогою технологій мікро-електромеханічних систем, а також системи числового моделювання їх роботи на основі повної математичної моделі в середовищі Сімулінк/Матлаб.uk
dc.format.page41 с.uk
dc.identifier.citationАпостолюк В. О. Узагальнена теорія та методи проектування коріолісових вібраційних гіроскопів : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. : 05.11.03 – гіроскопи та навігаційні системи / Владислав Олександрович Апостолюк. - Київ., 2016. - 41 с.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/16276
dc.language.isoukuk
dc.publisherНТУУ "КПІ"uk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.status.pubpublisheduk
dc.subjectкоріолісовий вібраційний гіроскопuk
dc.subjectдинамікаuk
dc.subjectчутливий елементuk
dc.subjectметод проектуванняuk
dc.subjectпохибка вимірюванняuk
dc.subjectобробка сигналівuk
dc.subjectкеруванняuk
dc.subjectкориолисовый вибрационный гироскопru
dc.subjectдинамика чувствительный элементru
dc.subjectметод проектированияru
dc.subjectпогрешность измеренияru
dc.subjectобработка сигналовru
dc.subjectуправлениеru
dc.subjectCoriolis vibratory gyroscopeen
dc.subjectdynamicsen
dc.subjectsensitive elementen
dc.subjectdesign methodologiesen
dc.subjectmeasurement erroren
dc.subjectsignal processingen
dc.subjectcontrolen
dc.subject.udc531.383(043.3)uk
dc.subject.udc681.586.2:004.4(043.3)
dc.titleУзагальнена теорія та методи проектування коріолісових вібраційних гіроскопівuk
dc.typeThesisen
thesis.degree.leveldoctoren
thesis.degree.nameдоктор технічних наукuk
thesis.degree.speciality05.11.03 – гіроскопи та навігаційні системиuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Apostolyuk_aref.pdf
Розмір:
1.46 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
7.71 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Автореферати (ПСКЛА ФАКС)
Автореферати (вільний доступ)