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本文作者：謝志萍1,2作者單位：1.西南交通大學(xué)2.成都工業(yè)學(xué)院

1引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以相互獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)代替原有機(jī)械傳動(dòng)長軸，通過網(wǎng)絡(luò)及程序軟件形成內(nèi)部虛擬電子軸的無軸傳動(dòng)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。采用無軸傳動(dòng)技術(shù)的印刷機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。無軸傳動(dòng)印刷機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械軸傳動(dòng)相比，大大簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，使機(jī)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(yè)和制造商都將目光聚焦在無軸傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用上，日本和歐洲許多國家制造的高檔印刷機(jī)大多已采用無軸傳動(dòng)技術(shù)。而國內(nèi)的電子軸傳動(dòng)系統(tǒng)和套準(zhǔn)系統(tǒng)都來自國外廠商，引進(jìn)的無軸傳動(dòng)系統(tǒng)和套準(zhǔn)系統(tǒng)也主要用于凹印機(jī)上。膠印機(jī)由于具有高速高效、適應(yīng)性強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)，被廣泛用于報(bào)紙、期刊和廣告等印刷中。因此，研究開發(fā)膠印機(jī)無軸傳動(dòng)系統(tǒng)和套準(zhǔn)系統(tǒng)，有利于提高我國印刷設(shè)備的自主創(chuàng)新能力和技術(shù)水平，打破國外高檔印刷裝備的市場壟斷，提高國際竟?fàn)幜?。根?jù)卷筒紙膠印機(jī)套準(zhǔn)測控的特點(diǎn)，采用圖像模式識(shí)別提取套準(zhǔn)誤差；構(gòu)建單神經(jīng)元自適應(yīng)PID套準(zhǔn)誤差主從控制方案；組建了由工控機(jī)、PLC和步進(jìn)電機(jī)等構(gòu)成的以太網(wǎng)，并結(jié)合圖像采集卡、印刷單元等建成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無軸傳動(dòng)卷筒紙膠印機(jī)套準(zhǔn)的自適應(yīng)控制，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，套準(zhǔn)精度較高。

2無軸傳動(dòng)卷筒紙膠印機(jī)自動(dòng)套準(zhǔn)原理

無軸傳動(dòng)卷筒紙膠印機(jī)的各個(gè)版輥和套準(zhǔn)調(diào)節(jié)輥由傳統(tǒng)的機(jī)械長軸改為虛擬的電子軸帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，各軸通過現(xiàn)場總線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要解決的主要問題是電子軸取代了機(jī)械長軸后，如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高精度同步運(yùn)動(dòng)，以及如何實(shí)現(xiàn)快速套準(zhǔn)。主要就無軸傳動(dòng)卷筒紙膠印機(jī)如何實(shí)現(xiàn)快速智能套準(zhǔn)進(jìn)行了研究。卷筒紙膠印機(jī)在印刷時(shí)，首先將原稿經(jīng)分色處理成多色底片，制成印版后按一定的次序裝在名個(gè)印刷單元的印版滾筒上。紙張由放卷機(jī)放卷開始運(yùn)行，依次經(jīng)過各印刷單元，進(jìn)行各色印刷，再進(jìn)入各色的干燥器進(jìn)行烘干，最后由收卷機(jī)進(jìn)行收卷。當(dāng)紙先后經(jīng)過印版時(shí)，相應(yīng)的單色圖像組合成一幅完整的彩色圖像。如果每個(gè)印刷單元套印不準(zhǔn)，就會(huì)影響層次和色彩的再現(xiàn)，圖像就會(huì)模糊[1]，從而影響印刷品的質(zhì)量，所以對印刷套準(zhǔn)情況進(jìn)行檢測與調(diào)節(jié)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(jī)每色版輥的實(shí)際印刷內(nèi)容旁邊印有一長10mm、寬1mm的套色標(biāo)志，每個(gè)相鄰顏色在套印精確時(shí)應(yīng)相互平行，垂直（縱向）相距20mm。通過檢測運(yùn)動(dòng)中相鄰兩種顏色的色標(biāo)的間隔實(shí)現(xiàn)套色偏差的檢測。影響套準(zhǔn)精度的原因有印前、紙張、操作、機(jī)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(zhǔn)精度的主要因素。因此，系統(tǒng)根據(jù)檢測到的套印誤差，控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)節(jié)輥改變紙帶在兩印刷單元間路徑的長度、調(diào)節(jié)紙帶橫向位置和調(diào)整印版滾筒的斜度實(shí)現(xiàn)印刷套準(zhǔn)。

3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)的總體方案

控制系統(tǒng)采用工控機(jī)作為上位機(jī)，系統(tǒng)從第二個(gè)印刷單元起裝有攝像頭，利用攝像頭分別對各單元色標(biāo)進(jìn)行適時(shí)圖像采集。圖像經(jīng)圖像采集卡送入工控機(jī)后進(jìn)行處理，得到相鄰兩色的套準(zhǔn)誤差。通過以太網(wǎng)，把套準(zhǔn)誤差發(fā)送給PLC，通過集成在PLC的單神元自適應(yīng)控制器，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)等構(gòu)成的伺服系統(tǒng)來修正套準(zhǔn)誤差，從而實(shí)現(xiàn)了印刷套準(zhǔn)的在線自適應(yīng)控制。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，以四色卷筒紙膠印機(jī)為例。根據(jù)控制要求需要3個(gè)攝像頭，3路以上圖像采集卡1個(gè)，3個(gè)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。由于PLC一般只有兩個(gè)高速脈沖輸出，所以需要2個(gè)PLC。2個(gè)PLC通過串行設(shè)備服務(wù)器與工控機(jī)組成的以太網(wǎng)相連（無軸傳動(dòng)膠印機(jī)的其他運(yùn)動(dòng)控件可掛接入該以太網(wǎng)）。該控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3.2套準(zhǔn)誤差主從控制方案設(shè)計(jì)

彩色印刷時(shí)，是通過檢測運(yùn)動(dòng)中相鄰兩種顏色的色標(biāo)的間隔實(shí)現(xiàn)套色偏差的檢測，所以，設(shè)計(jì)的自動(dòng)套準(zhǔn)控制系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)。即色標(biāo)圖像經(jīng)數(shù)字圖像預(yù)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制中。但其主要適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。由于該控制系統(tǒng)具有非線性、時(shí)滯性和不確定性，采用傳統(tǒng)的PID控制不能進(jìn)行有效的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，適用于解決非線性和不確定性系統(tǒng)的控制問題。由單神經(jīng)元構(gòu)成單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器，不但結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)，且能適應(yīng)控制對象的變化[2]。在一定程序上解決傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器不易在線實(shí)時(shí)整定參數(shù)，難于對一些復(fù)雜過程進(jìn)行有效控制的不足?？紤]誤差套準(zhǔn)控制系統(tǒng)適時(shí)性要求，本控制系統(tǒng)采用單神經(jīng)元自適應(yīng)智能PID控制器。單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)，如圖3所示。圖中神經(jīng)元有3個(gè)輸入量xi（k）（i=1，2，3）。套準(zhǔn)誤差e（k）經(jīng)狀態(tài)變換后轉(zhuǎn)換成為神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制所需要的狀態(tài)：（略）。為了反映神經(jīng)元對外界信號的響應(yīng)能力，神經(jīng)元重要的特征就是要通過不斷的學(xué)習(xí)使獲得的知識(shí)結(jié)構(gòu)適應(yīng)周圍環(huán)境的變化。神經(jīng)元的學(xué)習(xí)是按某一性能指標(biāo)為最小、通過對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能。其學(xué)習(xí)方法主要有無監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則、有監(jiān)督的Delta學(xué)習(xí)規(guī)則和有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則。控制系統(tǒng)權(quán)系數(shù)的調(diào)整采用有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)方法。若令套準(zhǔn)誤差信號e（k）=z（k），自適應(yīng)單神經(jīng)元的輸出信號u（k），其學(xué)習(xí)過程為：（略）。ηI、ηp和ηD為積分、比例和微分系數(shù)的學(xué)習(xí)速率。對積分、比例和微分分別采用了不同的學(xué)習(xí)速率，以便對不同的權(quán)系數(shù)分別進(jìn)行調(diào)整。神經(jīng)元比例系數(shù)K的選擇非常重要。K越大，則快速性越好，但超調(diào)量大，甚至可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定。當(dāng)被控對象時(shí)延增大時(shí)，K值必須減少，以保系統(tǒng)穩(wěn)定。K值選擇過小，會(huì)使系統(tǒng)的快速性變差。綜合本系統(tǒng)選定K=0.13。

4系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證

在自行研制開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。整個(gè)控制系統(tǒng)主要由工業(yè)檢測專用彩色攝像頭KPC-H22BDP、MV-8010四路實(shí)時(shí)圖像采集卡、EKI-1524串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、三菱FX1N-48MT-001PLC、三相混合式步進(jìn)電機(jī)DM31325、驅(qū)動(dòng)器DMDT68和工控機(jī)等聯(lián)網(wǎng)組成。利用兩臺(tái)舊的名片機(jī)改裝成雙色印刷機(jī)，并設(shè)計(jì)、制造和安裝了紙張的張緊調(diào)節(jié)裝置。試驗(yàn)時(shí)，先在MATLAM/Simulink環(huán)境中搭建該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制仿真平臺(tái)。在該平臺(tái)上，設(shè)定不同的η1、ηP、ηD學(xué)習(xí)速率和神經(jīng)元比例系數(shù)K，分析比較不同參數(shù)時(shí)該仿真系統(tǒng)對階躍響應(yīng)的特性曲線，選定出該系統(tǒng)較佳的學(xué)習(xí)速率為：η1=3、ηP=130、ηD=156，比例系統(tǒng)K=0.13，其響應(yīng)曲線，如圖4所示。然后在工控機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，并把該算法集成在該控制系統(tǒng)中。在自行研制開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，當(dāng)印刷機(jī)最大運(yùn)行速度10m/s時(shí)，若采用單神元自適應(yīng)PID控制算法，實(shí)驗(yàn)套準(zhǔn)控制精度可達(dá)（±0.06）mm；若采用傳統(tǒng)的PID控制算法，套準(zhǔn)精度為（±0.08）mm。

5結(jié)論

單神經(jīng)元PID控制器可以自動(dòng)調(diào)整神經(jīng)元加權(quán)系數(shù)以適應(yīng)被控對象的狀態(tài)變化，其作用相當(dāng)于一個(gè)變系數(shù)的自適應(yīng)控制器。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，該印刷套準(zhǔn)系統(tǒng)采用單神元自適應(yīng)PID控制器，控制穩(wěn)定性明顯提高，具有控制精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，可應(yīng)用于無軸傳動(dòng)膠印機(jī)中，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。