基于增量式雙模Fuzzy控制的彩色自動(dòng)套印系統(tǒng)

張彥航，蘇小紅，侯俊英，馬培軍，孫海濤

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150001;2.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，長(zhǎng)春130021)

1 引言

塑膜彩色印刷是使用印版或其它方法將原稿的圖文信息轉(zhuǎn)移到塑膜上的一種工藝技術(shù)，廣泛應(yīng)用于日用化工、食品包裝、商標(biāo)、裝潢及醫(yī)療等行業(yè)［1］。為提高套印精度，國(guó)內(nèi)外的研究人員在硬件設(shè)計(jì)、算法實(shí)現(xiàn)上開展了大量的相關(guān)工作［2］。例如硬件設(shè)計(jì)方面使用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)［3］、采用單片機(jī)與PC機(jī)及可視化監(jiān)視系統(tǒng)［4-6］。在算法方面，除了常規(guī)的PID控制，還包括一些較復(fù)雜的控制算法如基于專家系統(tǒng)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的滑模控制［7］、采用自抗擾控制器［8］等。

彩印系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)速、變采樣周期的特點(diǎn)，若選擇很復(fù)雜的控制算法，則實(shí)時(shí)控制存在較大困難。此外，在硬件設(shè)計(jì)方面還應(yīng)考慮盡量降低設(shè)備成本。因此，在兼顧實(shí)時(shí)性和低成本的基礎(chǔ)上如何提高彩色套印的精度，是一個(gè)比較困難的問題。針對(duì)這一問題，提出采用增量式雙模Fuzzy控制的方法，采用一臺(tái)PC機(jī)和多片8253計(jì)數(shù)器等芯片組成硬件電路，解決了用硬件方法自動(dòng)產(chǎn)生門信號(hào)的問題。

2 套印誤差的檢測(cè)方式

套印誤差的檢測(cè)是凹印機(jī)自動(dòng)套色系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，它直接關(guān)系到套色的精度，為準(zhǔn)確測(cè)出相鄰兩色套印誤差，提出一種新的套印誤差檢測(cè)方式。常用的檢測(cè)方法是將前一版色標(biāo)作為套印基準(zhǔn)，如圖1所示，其存在的主要問題是可能會(huì)因前一版套印不準(zhǔn)而造成以后各版的套印累計(jì)誤差。本系統(tǒng)采用單光電掃描頭進(jìn)行檢測(cè)，將第一版色標(biāo)作為套印基準(zhǔn)，如圖2所示，其優(yōu)點(diǎn)是避免了常規(guī)檢測(cè)方法中的套印累計(jì)誤差。

圖1 雙光電頭垂直檢測(cè)方式

圖2 單光電頭垂直檢測(cè)方式

3 自動(dòng)套印系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

在綜合考慮實(shí)時(shí)性和低成本的前提下，自動(dòng)套印系統(tǒng)硬件原理框圖如圖3所示。準(zhǔn)確的門信號(hào)S是系統(tǒng)正確檢測(cè)套印誤差的依據(jù)，必須能將在印各版的色標(biāo)信號(hào)TT1～TT5囊括其中。為確?？煽?，本系統(tǒng)門信號(hào)S由8253及異或門74LS266產(chǎn)生，用硬件方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋址。

以6色套印為例，首先將第二版光電信號(hào)TT2送入一片CD4017，經(jīng)過或門電路及D觸發(fā)器的變換送入另一片8253中，進(jìn)而檢測(cè)出脈沖編碼器輸出的PGZ信號(hào)相對(duì)于第一版色標(biāo)信號(hào)的位置，記為C1。由C1可以確定軟件產(chǎn)生的P-PGZ信號(hào)相對(duì)于第一版色標(biāo)信號(hào)的位置，記為C2，令C2小于10個(gè)脈沖。同時(shí)C2也確定了門信號(hào)S的起始位置，信號(hào)S的寬度為110mm，確保能檢測(cè)到各版色標(biāo)信號(hào)。通過門信號(hào)S及相關(guān)電路的過濾性作用，剔除干擾脈沖，只留下第一版色標(biāo)信號(hào)及本工位色標(biāo)信號(hào)送入8253中，經(jīng)PC機(jī)查詢、計(jì)算，確定出誤差量。再運(yùn)用控制算法計(jì)算出補(bǔ)償量，經(jīng)I/O電路驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，控制補(bǔ)償電機(jī)的通、斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。系統(tǒng)工作過程中，可以通過示波器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各路光電信號(hào)及門信號(hào)S是否準(zhǔn)確。

圖3 自動(dòng)套印系統(tǒng)硬件電路原理圖

4 增量式雙模Fuzzy控制器設(shè)計(jì)

生產(chǎn)過程中，運(yùn)動(dòng)平衡不良、張力波動(dòng)及印料熱變形等原因均會(huì)產(chǎn)生套印誤差，這種偏差量的變化具有隨機(jī)性和連續(xù)性，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以修正，將會(huì)嚴(yán)重影響印刷質(zhì)量。由于彩印系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)十分復(fù)雜，所以控制算法不能基于建模，同時(shí)還要具有較強(qiáng)的魯棒性和實(shí)時(shí)性，能適應(yīng)參數(shù)的變化。為此，本系統(tǒng)控制算法采用增量式雙模模糊控制，在大偏差范圍內(nèi)采用基本模糊控制器，在小偏差范圍內(nèi)采用具有積分作用的增量型模糊控制器，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差小、控制精度高?？刂扑惴?

其中，Ku為控制量變化U的比例因子，Ew為程序切換閾值，Ew值不宜選取過大，可根據(jù)被控過程的實(shí)際特性，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整加以確定。本系統(tǒng)中Ew=0.3mm。當(dāng)|E|≤0.3時(shí)，若U(n)＞U(n-1)，取 ΔU=1，則 V(n)＞V(n-1)+Ku。反之，取 ΔU=-1，則有V(n)＞V(n-1)-Ku。主要設(shè)計(jì)思想是在大偏差時(shí)，控制器的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)基本模糊控制器，可取得動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、阻尼特性好的控制效果，但其穩(wěn)態(tài)特性不夠理想，常常在平衡點(diǎn)鄰域小范圍內(nèi)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。而增量式控制模態(tài)可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。因?yàn)樵隽渴娇刂颇B(tài)的輸出V(n)不僅與現(xiàn)時(shí)刻的偏差量有關(guān)，還和前一時(shí)刻的V(n-1)有關(guān)，相當(dāng)于在基本Fuzzy控制器的輸出端串聯(lián)一級(jí)用以改善小信號(hào)特性的積分器，從而達(dá)到抑制平衡點(diǎn)鄰域小范圍內(nèi)震蕩現(xiàn)象的目的。由于它本身仍然是模糊控制，所以在具有PID控制積分器的基礎(chǔ)上，還具有模糊控制的快速性、強(qiáng)魯棒性，同時(shí)克服了PID控制器參數(shù)難以整定的缺陷。

4.1 論域選擇

自動(dòng)套印的前提是人工調(diào)節(jié)套印誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)，所以誤差E的論域范圍如果選取過大，不利于精細(xì)調(diào)整。本系統(tǒng)中誤差E的實(shí)際物理論域選為:(-2mm，2mm)。同樣，誤差變化率EC的論域范圍也要適中，過大容易使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，降低控制品質(zhì);過小，則會(huì)增加系統(tǒng)過渡過程的時(shí)間。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，EC的范圍不超過1mm/s，由此選定誤差變化率的基本物理論域?yàn)?-1mm，1mm)。輸出控制量U的物理論域選為(-2mm，2mm)，即在一個(gè)采樣周期內(nèi)最大可調(diào)整套印誤差為2mm。

4.2 彩印系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則的基本思想是:誤差較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主;誤差較小時(shí)，選擇控制量以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)，防止系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)。自動(dòng)套印系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的各種情況及相應(yīng)的控制策略匯總于表1中。隸屬度函數(shù)為高斯型，采用重心法進(jìn)行清晰化操作。

控制算法計(jì)算出補(bǔ)償量后通過I/O電路送出，使固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償電機(jī)，通過控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行超前或滯后補(bǔ)償。經(jīng)實(shí)際測(cè)定，用于本系統(tǒng)的電機(jī)每接通10ms，可以調(diào)節(jié)0.01mm的套印誤差。為準(zhǔn)確輸出補(bǔ)償量設(shè)計(jì)了10mm延時(shí)子程序，通過調(diào)用延時(shí)子程序?qū)崿F(xiàn)套印誤差的精確補(bǔ)償，從而消除套印誤差。

表1 彩色自動(dòng)套印系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本系統(tǒng)的測(cè)試條件:采用版輥周長(zhǎng)740mm的FGL-6凹版印刷機(jī)，印刷產(chǎn)品為掛歷封面，印刷顏色為五色(因白色不需對(duì)版，只測(cè)量三組間的誤差)。

從生產(chǎn)線上取下一段十余米長(zhǎng)的印刷薄膜，裁下上面有色標(biāo)線以及十字線的窄條，隨機(jī)選取5個(gè)樣品，肉眼觀察所有十字線都重合印在一起。在20倍光學(xué)顯微鏡下測(cè)量其對(duì)版誤差，實(shí)際數(shù)據(jù)分別列于表2及表3中。依據(jù)GB7707-87關(guān)于彩色印刷質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高檔彩色印刷，主要部分對(duì)版極限誤差應(yīng)小于0.3mm，而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最大為0.26mm。

由表2和表3可知各版套印誤差都比較小且在誤差允許范圍之內(nèi)。高速印刷的控制精度要好于低速印刷，原因主要是高速時(shí)控制系統(tǒng)可以更快地對(duì)誤差做出反應(yīng)。當(dāng)印刷速度較低時(shí)，失控時(shí)間長(zhǎng)，不確定性因素增多。表中數(shù)據(jù)同時(shí)表明后一版的對(duì)版誤差也要小于前一色的對(duì)版誤差，這是因?yàn)楫?dāng)前一色進(jìn)行調(diào)整后，后一版再進(jìn)行調(diào)整，精度自然提高。常規(guī)Fuzzy控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)小、對(duì)參數(shù)變化不敏感，但由于它只相當(dāng)于非線性PD控制器，所以系統(tǒng)靜態(tài)特性難以令人滿意。PID控制器針對(duì)某一對(duì)象經(jīng)過調(diào)整可以獲得比較滿意的控制效果，但對(duì)參數(shù)變化很敏感，而且響應(yīng)時(shí)間較模糊控制器長(zhǎng);增量式雙模Fuzzy控制器取長(zhǎng)補(bǔ)短，既具有常規(guī)模糊控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、與模型無關(guān)的特點(diǎn)，又具有一定的積分作用，魯棒性強(qiáng)，可以顯著提高凹版印刷機(jī)的套印精度，控制效果令人滿意。

表2 速度為157米/分鐘的對(duì)版誤差(單位:毫米)

表3 速度為30米/分鐘的對(duì)版誤差(單位:毫米)

6 結(jié)束語

在綜合考慮彩色印刷自動(dòng)套印系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性和低成本的前提下，以PC機(jī)為主控核心，提出各版都以第一版色標(biāo)為基準(zhǔn)的新檢測(cè)方法，采用基于增量式雙模Fuzzy控制算法，解決了高轉(zhuǎn)速、變采樣周期下彩印系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)解決了用硬件方法自動(dòng)產(chǎn)生門信號(hào)的問題。實(shí)驗(yàn)表明，該控制算法比常規(guī)控制方法具有系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差小、控制精度高的特點(diǎn)。

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