胶印机套准控制体系探究

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本文作者：谢志萍1,2作者单位：1.西南交通大学2.成都工业学院

1引言

近年来，随着电力电子技术的发展，以相互独立的伺服电机驱动系统代替原有机械传动长轴，通过网络及程序软件形成内部虚拟电子轴的无轴传动技术得到了飞速的发展。采用无轴传动技术的印刷机应运而生。无轴传动印刷机与传统机械轴传动相比，大大简化了机械结构，使机械性能得到提升，提高了印刷精度，减少废品率。目前，全球的印刷企业和制造商都将目光聚焦在无轴传动技术的发展和应用上，日本和欧洲许多国家制造的高档印刷机大多已采用无轴传动技术。而国内的电子轴传动系统和套准系统都来自国外厂商，引进的无轴传动系统和套准系统也主要用于凹印机上。胶印机由于具有高速高效、适应性强和经济效益好等特点，被广泛用于报纸、期刊和广告等印刷中。因此，研究开发胶印机无轴传动系统和套准系统，有利于提高我国印刷设备的自主创新能力和技术水平，打破国外高档印刷装备的市场垄断，提高国际竟争力。根据卷筒纸胶印机套准测控的特点，采用图像模式识别提取套准误差；构建单神经元自适应PID套准误差主从控制方案；组建了由工控机、PLC和步进电机等构成的以太网，并结合图像采集卡、印刷单元等建成实验平台；通过实验，验证了该系统实现了无轴传动卷筒纸胶印机套准的自适应控制，系统具有良好的动静态性能，套准精度较高。

2无轴传动卷筒纸胶印机自动套准原理

无轴传动卷筒纸胶印机的各个版辊和套准调节辊由传统的机械长轴改为虚拟的电子轴带动运转，各轴通过现场总线进行高速数据交换。其控制系统设计中需要解决的主要问题是电子轴取代了机械长轴后，如何实现电机的高精度同步运动，以及如何实现快速套准。主要就无轴传动卷筒纸胶印机如何实现快速智能套准进行了研究。卷筒纸胶印机在印刷时，首先将原稿经分色处理成多色底片，制成印版后按一定的次序装在名个印刷单元的印版滚筒上。纸张由放卷机放卷开始运行，依次经过各印刷单元，进行各色印刷，再进入各色的干燥器进行烘干，最后由收卷机进行收卷。当纸先后经过印版时，相应的单色图像组合成一幅完整的彩色图像。如果每个印刷单元套印不准，就会影响层次和色彩的再现，图像就会模糊[1]，从而影响印刷品的质量，所以对印刷套准情况进行检测与调节是非常必要的。在彩色套印过程中，目前无法在图案上直接快速测出各色的印刷误差，一般采用间接检测方法。即在印刷机每色版辊的实际印刷内容旁边印有一长10mm、宽1mm的套色标志，每个相邻颜色在套印精确时应相互平行，垂直（纵向）相距20mm。通过检测运动中相邻两种颜色的色标的间隔实现套色偏差的检测。影响套准精度的原因有印前、纸张、操作、机械等多种因素。在卷筒纸印刷过程中，纸带的伸缩变形及位移、纸卷的偏心、牵引辊的偏斜等，是影响套准精度的主要因素。因此，系统根据检测到的套印误差，控制步进电机带动调节辊改变纸带在两印刷单元间路径的长度、调节纸带横向位置和调整印版滚筒的斜度实现印刷套准。

3系统的设计与实现

3.1系统的总体方案

控制系统采用工控机作为上位机，系统从第二个印刷单元起装有摄像头，利用摄像头分别对各单元色标进行适时图像采集。图像经图像采集卡送入工控机后进行处理，得到相邻两色的套准误差。通过以太网，把套准误差发送给PLC，通过集成在PLC的单神元自适应控制器，控制步进电机驱动器、步进电机等构成的伺服系统来修正套准误差，从而实现了印刷套准的在线自适应控制。具体实现时，以四色卷筒纸胶印机为例。根据控制要求需要3个摄像头，3路以上图像采集卡1个，3个步进电机及其驱动器。由于PLC一般只有两个高速脉冲输出，所以需要2个PLC。2个PLC通过串行设备服务器与工控机组成的以太网相连（无轴传动胶印机的其他运动控件可挂接入该以太网）。该控制系统硬件结构，如图1所示。

3.2套准误差主从控制方案设计

彩色印刷时，是通过检测运动中相邻两种颜色的色标的间隔实现套色偏差的检测，所以，设计的自动套准控制系统采用主从式结构。即色标图像经数字图像预处理、边缘检测和几何信息提取等处理[3]，获得套色偏差。该偏差直接作为控制器的输入，如图2所示。PID控制由于算法简单、鲁棒性好和可靠性高等特点，被广泛应用于运动控制中。但其主要适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于该控制系统具有非线性、时滞性和不确定性，采用传统的PID控制不能进行有效的控制。神经网络具有自学习、自适应能力，适用于解决非线性和不确定性系统的控制问题。由单神经元构成单神经元自适应PID控制器，不但结构简单，计算量小，易于实现，且能适应控制对象的变化[2]。在一定程序上解决传统PID调节器不易在线实时整定参数，难于对一些复杂过程进行有效控制的不足。考虑误差套准控制系统适时性要求，本控制系统采用单神经元自适应智能PID控制器。单神经元自适应PID控制系统，如图3所示。图中神经元有3个输入量xi（k）（i=1，2，3）。套准误差e（k）经状态变换后转换成为神经元学习控制所需要的状态：（略）。为了反映神经元对外界信号的响应能力，神经元重要的特征就是要通过不断的学习使获得的知识结构适应周围环境的变化。神经元的学习是按某一性能指标为最小、通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能。其学习方法主要有无监督的Hebb学习规则、有监督的Delta学习规则和有监督的Hebb学习规则。控制系统权系数的调整采用有监督的Hebb学习方法。若令套准误差信号e（k）=z（k），自适应单神经元的输出信号u（k），其学习过程为：（略）。ηI、ηp和ηD为积分、比例和微分系数的学习速率。对积分、比例和微分分别采用了不同的学习速率，以便对不同的权系数分别进行调整。神经元比例系数K的选择非常重要。K越大，则快速性越好，但超调量大，甚至可能使系统不稳定。当被控对象时延增大时，K值必须减少，以保系统稳定。K值选择过小，会使系统的快速性变差。综合本系统选定K=0.13。

4系统的试验验证

在自行研制开发的实验平台上，对整个控制系统进行了实验验证。整个控制系统主要由工业检测专用彩色摄像头KPC-H22BDP、MV-8010四路实时图像采集卡、EKI-1524串口联网服务器、三菱FX1N-48MT-001PLC、三相混合式步进电机DM31325、驱动器DMDT68和工控机等联网组成。利用两台旧的名片机改装成双色印刷机，并设计、制造和安装了纸张的张紧调节装置。试验时，先在MATLAM/Simulink环境中搭建该实验系统的单神经元自适应PID控制仿真平台。在该平台上，设定不同的η1、ηP、ηD学习速率和神经元比例系数K，分析比较不同参数时该仿真系统对阶跃响应的特性曲线，选定出该系统较佳的学习速率为：η1=3、ηP=130、ηD=156，比例系统K=0.13，其响应曲线，如图4所示。然后在工控机上编程实现单神经元自适应PID控制算法，并把该算法集成在该控制系统中。在自行研制开发的实验平台上，当印刷机最大运行速度10m/s时，若采用单神元自适应PID控制算法，实验套准控制精度可达（±0.06）mm；若采用传统的PID控制算法，套准精度为（±0.08）mm。

5结论

单神经元PID控制器可以自动调整神经元加权系数以适应被控对象的状态变化，其作用相当于一个变系数的自适应控制器。通过实验验证可知，该印刷套准系统采用单神元自适应PID控制器，控制稳定性明显提高，具有控制精度高、实时性强、成本低等特点，可应用于无轴传动胶印机中，具有较强的实用性。