Автоматизація випробувань та налаштування складових коріолісового вібраційного гіроскопа
| dc.contributor.advisor | Аврутов, Вадим Вікторович | |
| dc.contributor.author | Строкач, Григорій Юрійович | |
| dc.date.accessioned | 2026-07-03T07:11:15Z | |
| dc.date.available | 2026-07-03T07:11:15Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Strokach H. Yu. Automation of Testing and Tuning of Coriolis Vibratory Gyroscope Components. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Specialty 151 – Automation and Computer-Integrated Technologies (15 – Automation and Instrumentation) – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2026. This dissertation addresses the urgent scientific and applied task of automating the tuning and balancing processes of Coriolis vibratory gyroscopes (CVG) with a metallic cylindrical resonator. Among other modern types of gyroscopes, CVGs form the basis of medium-accuracy class inertial systems, and their production has been established in Ukraine. Given the necessity of transitioning from single-unit to serial production, the problem of the imperfection of existing approaches to CVG testing and tuning arises. These approaches rely on automated testing and parameter adjustment, which are not time-optimized and fail to account for dynamic errors, particularly temperature drift during testing. In light of this, there is an acute scientific and applied need to improve the existing automation systems for CVG testing and tuning to minimize subjective influence, increase result accuracy, and reduce the duration of the device's manufacturing cycle. Due to resonator manufacturing imperfections, a split in the natural frequency occurs within it—known as frequency split. Testing the resonator for frequency split is conducted at various production stages to ensure timely detection and correction. The primary method for correcting the frequency split is the balancing procedure of the resonator within the sensing element, which involves the iterative measurement of the frequency split and the removal of unbalanced mass from the resonator. Since measuring the frequency split is a lengthy and frequently repeated process, improving the automation of such tests is highly relevant. The CVG control system relies on four operational loops: phase, amplitude, compensation, and quadrature. For stable operation, each of these loops requires proper tuning of the PID controller coefficients. Improving the accuracy and speed of the CVG control system parameter tuning process aims to optimize production and enhance the overall accuracy of the sensor. To achieve the most effective results, this work proposes and substantiates criteria and methods for the optimal synthesis of PID controller coefficients. For cases where physical balancing is impossible or insufficient, the three-mode control system incorporates an algorithm for automatic frequency split compensation. This compensation algorithm involves introducing an additional block into the control system structure (a fifth PID controller), which generates a signal to nullify the quadrature component at the output of the main controller. This approach minimizes the influence of temperature drift and stabilizes the frequency split value during the device's operation. The first chapter provides a detailed analysis of the current state of gyroscope test automation. It outlines the physical principles of CVG operation and control system modes: angular rate sensor mode, Whole Angle (integrating) Mode, and differential mode. The chapter pays special attention to a three-mode control system, which allows combining the advantages of all modes in a single device without modifying the hardware. The second chapter examines the mathematical aspects of various CVG control system components necessary for test automation. It presents a mathematical model of a cylindrical resonator based on a two-axis pendulum and details the calculation of natural frequencies for a cylindrical metallic resonator. The chapter also considers the mathematical aspects of CVG operating modes and analyzes signal demodulation methods used in CVG control systems. Furthermore, it describes the operation of a PID controller used in standing wave control loops and discusses standing wave generation systems, specifically the Phase-Locked Loop (PLL) and the oscillation amplitude controller. The third chapter describes the developed methods for tuning and testing CVG components. It details the automatic determination of the resonator's natural frequency and its frequency split. The section presents an existing method for measuring imbalance parameters (frequency split, angle of the unbalanced mass) and balancing the resonator based on the frequency response of the sensing element. Additionally, it introduces a balancing method based on standing wave rotation, aimed at improving the measurement of imbalance parameters and the process information model. The chapter explains the principles of tuning PID controllers for the control system and reviews existing PID controller tuning methods tested for automatic control loop tuning. To compensate for the residual frequency split (no more than 0.03 Hz), it demonstrates automatic frequency split compensation based on standing wave control. The fourth chapter highlights the results of experimental studies for the developed methods. It demonstrates automatic natural frequency measurement using the acoustic method at the initial stages of CVG manufacturing. The chapter provides the results of frequency split measurement and balancing achieved through the standing wave rotation method. In particular, it showcases the results of Q-factor mismatch measurement performed during standing wave rotation. The text also details the measurement results of the control system output signal in the angular rate sensor mode under different PID controller tuning methods. Finally, the author draws conclusions regarding the most effective methods applicable for various control system settings and presents simulation results for automatic frequency split compensation. The scientific novelty of the work lies in the fact that: 1. The research improves the automation system for CVG testing and tuning by enhancing the method for measuring the frequency split and imbalance parameters, as well as tuning the control system's PID controllers. 2. The study enhances the frequency split measurement method based on standing wave rotation, allowing for increased measurement accuracy and the accommodation of temperature drift during measurements. 3. The dissertation proposes and substantiates criteria and methods for the optimal tuning of the PID controller coefficients in the automated testing and tuning system. 4. TheStrokach H. Yu. Automation of Testing and Tuning of Coriolis Vibratory Gyroscope Components. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Specialty 151 – Automation and Computer-Integrated Technologies (15 – Automation and Instrumentation) – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2026. This dissertation addresses the urgent scientific and applied task of automating the tuning and balancing processes of Coriolis vibratory gyroscopes (CVG) with a metallic cylindrical resonator. Among other modern types of gyroscopes, CVGs form the basis of medium-accuracy class inertial systems, and their production has been established in Ukraine. Given the necessity of transitioning from single-unit to serial production, the problem of the imperfection of existing approaches to CVG testing and tuning arises. These approaches rely on automated testing and parameter adjustment, which are not time-optimized and fail to account for dynamic errors, particularly temperature drift during testing. In light of this, there is an acute scientific and applied need to improve the existing automation systems for CVG testing and tuning to minimize subjective influence, increase result accuracy, and reduce the duration of the device's manufacturing cycle. Due to resonator manufacturing imperfections, a split in the natural frequency occurs within it—known as frequency split. Testing the resonator for frequency split is conducted at various production stages to ensure timely detection and correction. The primary method for correcting the frequency split is the balancing procedure of the resonator within the sensing element, which involves the iterative measurement of the frequency split and the removal of unbalanced mass from the resonator. Since measuring the frequency split is a lengthy and frequently repeated process, improving the automation of such tests is highly relevant. The CVG control system relies on four operational loops: phase, amplitude, compensation, and quadrature. For stable operation, each of these loops requires proper tuning of the PID controller coefficients. Improving the accuracy and speed of the CVG control system parameter tuning process aims to optimize production and enhance the overall accuracy of the sensor. To achieve the most effective results, this work proposes and substantiates criteria and methods for the optimal synthesis of PID controller coefficients. For cases where physical balancing is impossible or insufficient, the three-mode control system incorporates an algorithm for automatic frequency split compensation. This compensation algorithm involves introducing an additional block into the control system structure (a fifth PID controller), which generates a signal to nullify the quadrature component at the output of the main controller. This approach minimizes the influence of temperature drift and stabilizes the frequency split value during the device's operation. The first chapter provides a detailed analysis of the current state of gyroscope test automation. It outlines the physical principles of CVG operation and control system modes: angular rate sensor mode, Whole Angle (integrating) Mode, and differential mode. The chapter pays special attention to a three-mode control system, which allows combining the advantages of all modes in a single device without modifying the hardware. The second chapter examines the mathematical aspects of various CVG control system components necessary for test automation. It presents a mathematical model of a cylindrical resonator based on a two-axis pendulum and details the calculation of natural frequencies for a cylindrical metallic resonator. The chapter also considers the mathematical aspects of CVG operating modes and analyzes signal demodulation methods used in CVG control systems. Furthermore, it describes the operation of a PID controller used in standing wave control loops and discusses standing wave generation systems, specifically the Phase-Locked Loop (PLL) and the oscillation amplitude controller. The third chapter describes the developed methods for tuning and testing CVG components. It details the automatic determination of the resonator's natural frequency and its frequency split. The section presents an existing method for measuring imbalance parameters (frequency split, angle of the unbalanced mass) and balancing the resonator based on the frequency response of the sensing element. Additionally, it introduces a balancing method based on standing wave rotation, aimed at improving the measurement of imbalance parameters and the process information model. The chapter explains the principles of tuning PID controllers for the control system and reviews existing PID controller tuning methods tested for automatic control loop tuning. To compensate for the residual frequency split (no more than 0.03 Hz), it demonstrates automatic frequency split compensation based on standing wave control. The fourth chapter highlights the results of experimental studies for the developed methods. It demonstrates automatic natural frequency measurement using the acoustic method at the initial stages of CVG manufacturing. The chapter provides the results of frequency split measurement and balancing achieved through the standing wave rotation method. In particular, it showcases the results of Q-factor mismatch measurement performed during standing wave rotation. The text also details the measurement results of the control system output signal in the angular rate sensor mode under different PID controller tuning methods. Finally, the author draws conclusions regarding the most effective methods applicable for various control system settings and presents simulation results for automatic frequency split compensation. The scientific novelty of the work lies in the fact that: 1. The research improves the automation system for CVG testing and tuning by enhancing the method for measuring the frequency split and imbalance parameters, as well as tuning the control system's PID controllers. 2. The study enhances the frequency split measurement method based on standing wave rotation, allowing for increased measurement accuracy and the accommodation of temperature drift during measurements. 3. The dissertation proposes and substantiates criteria and methods for the optimal tuning of the PID controller coefficients in the automated testing and tuning system. 4. The work further develops the three-mode control system with the capability of automatic compensation of residual frequency split by reducing the quadrature signal to zero using an additional PID controller at the output of the quadrature PID controller. The practical significance of the results lies in the developed software and algorithmic support for standing wave rotation, the calculation of imbalance parameters, and the determination of PID controller parameters during control system tuning. It also encompasses the introduction of an additional PID controller at the output of the quadrature PID controller within the three-mode system. The practical implementation of this research enhanced the efficiency of testing and tuning CVG components and significantly improved the accuracy of frequency split measurement using the standing wave rotation method. The corresponding act of implementation confirms the successful integration of the research results into production. All results submitted for defense are new and have undergone repeated discussion at international conferences. The author published 5 articles and 6 conference abstracts based on the dissertation materials, fully reflecting its content. work further develops the three-mode control system with the capability of automatic compensation of residual frequency split by reducing the quadrature signal to zero using an additional PID controller at the output of the quadrature PID controller. The practical significance of the results lies in the developed software and algorithmic support for standing wave rotation, the calculation of imbalance parameters, and the determination of PID controller parameters during control system tuning. It also encompasses the introduction of an additional PID controller at the output of the quadrature PID controller within the three-mode system. The practical implementation of this research enhanced the efficiency of testing and tuning CVG components and significantly improved the accuracy of frequency split measurement using the standing wave rotation method. The corresponding act of implementation confirms the successful integration of the research results into production. All results submitted for defense are new and have undergone repeated discussion at international conferences. The author published 5 articles and 6 conference abstracts based on the dissertation materials, fully reflecting its content. | |
| dc.format.extent | 161 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/82096 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | вібраційний гіроскоп | |
| dc.subject | система керування | |
| dc.subject | циліндричний резонатор | |
| dc.subject | стояча хвиля | |
| dc.subject | різночастотність | |
| dc.subject | випробувальний стенд | |
| dc.subject | автоматизація | |
| dc.subject | ПІД-регулятор | |
| dc.subject | vibratory gyroscope | |
| dc.subject | control system | |
| dc.subject | cylindrical resonator | |
| dc.subject | standing wave | |
| dc.subject | frequency split | |
| dc.subject | test stand | |
| dc.subject | automation | |
| dc.subject | PID controller | |
| dc.subject.udc | 531.383 | |
| dc.title | Автоматизація випробувань та налаштування складових коріолісового вібраційного гіроскопа | |
| dc.title.alternative | Automation of Testing and Tuning of Coriolis Vibratory Gyroscope Components | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: