前言:本站為你精心整理了膠印機套準控制體系探究范文,希望能為你的創作提供參考價值,我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文,歡迎咨詢。
本文作者:謝志萍1,2作者單位:1.西南交通大學2.成都工業學院
1引言
近年來,隨著電力電子技術的發展,以相互獨立的伺服電機驅動系統代替原有機械傳動長軸,通過網絡及程序軟件形成內部虛擬電子軸的無軸傳動技術得到了飛速的發展。采用無軸傳動技術的印刷機應運而生。無軸傳動印刷機與傳統機械軸傳動相比,大大簡化了機械結構,使機械性能得到提升,提高了印刷精度,減少廢品率。目前,全球的印刷企業和制造商都將目光聚焦在無軸傳動技術的發展和應用上,日本和歐洲許多國家制造的高檔印刷機大多已采用無軸傳動技術。而國內的電子軸傳動系統和套準系統都來自國外廠商,引進的無軸傳動系統和套準系統也主要用于凹印機上。膠印機由于具有高速高效、適應性強和經濟效益好等特點,被廣泛用于報紙、期刊和廣告等印刷中。因此,研究開發膠印機無軸傳動系統和套準系統,有利于提高我國印刷設備的自主創新能力和技術水平,打破國外高檔印刷裝備的市場壟斷,提高國際竟爭力。根據卷筒紙膠印機套準測控的特點,采用圖像模式識別提取套準誤差;構建單神經元自適應PID套準誤差主從控制方案;組建了由工控機、PLC和步進電機等構成的以太網,并結合圖像采集卡、印刷單元等建成實驗平臺;通過實驗,驗證了該系統實現了無軸傳動卷筒紙膠印機套準的自適應控制,系統具有良好的動靜態性能,套準精度較高。
2無軸傳動卷筒紙膠印機自動套準原理
無軸傳動卷筒紙膠印機的各個版輥和套準調節輥由傳統的機械長軸改為虛擬的電子軸帶動運轉,各軸通過現場總線進行高速數據交換。其控制系統設計中需要解決的主要問題是電子軸取代了機械長軸后,如何實現電機的高精度同步運動,以及如何實現快速套準。主要就無軸傳動卷筒紙膠印機如何實現快速智能套準進行了研究。卷筒紙膠印機在印刷時,首先將原稿經分色處理成多色底片,制成印版后按一定的次序裝在名個印刷單元的印版滾筒上。紙張由放卷機放卷開始運行,依次經過各印刷單元,進行各色印刷,再進入各色的干燥器進行烘干,最后由收卷機進行收卷。當紙先后經過印版時,相應的單色圖像組合成一幅完整的彩色圖像。如果每個印刷單元套印不準,就會影響層次和色彩的再現,圖像就會模糊[1],從而影響印刷品的質量,所以對印刷套準情況進行檢測與調節是非常必要的。在彩色套印過程中,目前無法在圖案上直接快速測出各色的印刷誤差,一般采用間接檢測方法。即在印刷機每色版輥的實際印刷內容旁邊印有一長10mm、寬1mm的套色標志,每個相鄰顏色在套印精確時應相互平行,垂直(縱向)相距20mm。通過檢測運動中相鄰兩種顏色的色標的間隔實現套色偏差的檢測。影響套準精度的原因有印前、紙張、操作、機械等多種因素。在卷筒紙印刷過程中,紙帶的伸縮變形及位移、紙卷的偏心、牽引輥的偏斜等,是影響套準精度的主要因素。因此,系統根據檢測到的套印誤差,控制步進電機帶動調節輥改變紙帶在兩印刷單元間路徑的長度、調節紙帶橫向位置和調整印版滾筒的斜度實現印刷套準。
3系統的設計與實現
3.1系統的總體方案
控制系統采用工控機作為上位機,系統從第二個印刷單元起裝有攝像頭,利用攝像頭分別對各單元色標進行適時圖像采集。圖像經圖像采集卡送入工控機后進行處理,得到相鄰兩色的套準誤差。通過以太網,把套準誤差發送給PLC,通過集成在PLC的單神元自適應控制器,控制步進電機驅動器、步進電機等構成的伺服系統來修正套準誤差,從而實現了印刷套準的在線自適應控制。具體實現時,以四色卷筒紙膠印機為例。根據控制要求需要3個攝像頭,3路以上圖像采集卡1個,3個步進電機及其驅動器。由于PLC一般只有兩個高速脈沖輸出,所以需要2個PLC。2個PLC通過串行設備服務器與工控機組成的以太網相連(無軸傳動膠印機的其他運動控件可掛接入該以太網)。該控制系統硬件結構,如圖1所示。
3.2套準誤差主從控制方案設計
彩色印刷時,是通過檢測運動中相鄰兩種顏色的色標的間隔實現套色偏差的檢測,所以,設計的自動套準控制系統采用主從式結構。即色標圖像經數字圖像預處理、邊緣檢測和幾何信息提取等處理[3],獲得套色偏差。該偏差直接作為控制器的輸入,如圖2所示。PID控制由于算法簡單、魯棒性好和可靠性高等特點,被廣泛應用于運動控制中。但其主要適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。由于該控制系統具有非線性、時滯性和不確定性,采用傳統的PID控制不能進行有效的控制。神經網絡具有自學習、自適應能力,適用于解決非線性和不確定性系統的控制問題。由單神經元構成單神經元自適應PID控制器,不但結構簡單,計算量小,易于實現,且能適應控制對象的變化[2]。在一定程序上解決傳統PID調節器不易在線實時整定參數,難于對一些復雜過程進行有效控制的不足。考慮誤差套準控制系統適時性要求,本控制系統采用單神經元自適應智能PID控制器。單神經元自適應PID控制系統,如圖3所示。圖中神經元有3個輸入量xi(k)(i=1,2,3)。套準誤差e(k)經狀態變換后轉換成為神經元學習控制所需要的狀態:(略)。為了反映神經元對外界信號的響應能力,神經元重要的特征就是要通過不斷的學習使獲得的知識結構適應周圍環境的變化。神經元的學習是按某一性能指標為最小、通過對加權系數的調整來實現自適應、自組織功能。其學習方法主要有無監督的Hebb學習規則、有監督的Delta學習規則和有監督的Hebb學習規則。控制系統權系數的調整采用有監督的Hebb學習方法。若令套準誤差信號e(k)=z(k),自適應單神經元的輸出信號u(k),其學習過程為:(略)。ηI、ηp和ηD為積分、比例和微分系數的學習速率。對積分、比例和微分分別采用了不同的學習速率,以便對不同的權系數分別進行調整。神經元比例系數K的選擇非常重要。K越大,則快速性越好,但超調量大,甚至可能使系統不穩定。當被控對象時延增大時,K值必須減少,以保系統穩定。K值選擇過小,會使系統的快速性變差。綜合本系統選定K=0.13。
4系統的試驗驗證
在自行研制開發的實驗平臺上,對整個控制系統進行了實驗驗證。整個控制系統主要由工業檢測專用彩色攝像頭KPC-H22BDP、MV-8010四路實時圖像采集卡、EKI-1524串口聯網服務器、三菱FX1N-48MT-001PLC、三相混合式步進電機DM31325、驅動器DMDT68和工控機等聯網組成。利用兩臺舊的名片機改裝成雙色印刷機,并設計、制造和安裝了紙張的張緊調節裝置。試驗時,先在MATLAM/Simulink環境中搭建該實驗系統的單神經元自適應PID控制仿真平臺。在該平臺上,設定不同的η1、ηP、ηD學習速率和神經元比例系數K,分析比較不同參數時該仿真系統對階躍響應的特性曲線,選定出該系統較佳的學習速率為:η1=3、ηP=130、ηD=156,比例系統K=0.13,其響應曲線,如圖4所示。然后在工控機上編程實現單神經元自適應PID控制算法,并把該算法集成在該控制系統中。在自行研制開發的實驗平臺上,當印刷機最大運行速度10m/s時,若采用單神元自適應PID控制算法,實驗套準控制精度可達(±0.06)mm;若采用傳統的PID控制算法,套準精度為(±0.08)mm。
5結論
單神經元PID控制器可以自動調整神經元加權系數以適應被控對象的狀態變化,其作用相當于一個變系數的自適應控制器。通過實驗驗證可知,該印刷套準系統采用單神元自適應PID控制器,控制穩定性明顯提高,具有控制精度高、實時性強、成本低等特點,可應用于無軸傳動膠印機中,具有較強的實用性。