基于增量式雙模Fuzzy控制的彩色自動套印系統(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，國內(nèi)外的研究人員在硬件設(shè)計、算法實現(xiàn)上開展了大量的相關(guān)工作［2］。例如硬件設(shè)計方面使用數(shù)字信號處理器(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?？刂疲?］、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，則實時控制存在較大困難。此外，在硬件設(shè)計方面還應(yīng)考慮盡量降低設(shè)備成本。因此，在兼顧實時性和低成本的基礎(chǔ)上如何提高彩色套印的精度，是一個比較困難的問題。針對這一問題，提出采用增量式雙模Fuzzy控制的方法，采用一臺PC機(jī)和多片8253計數(shù)器等芯片組成硬件電路，解決了用硬件方法自動產(chǎn)生門信號的問題。

2 套印誤差的檢測方式

套印誤差的檢測是凹印機(jī)自動套色系統(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)確測出相鄰兩色套印誤差，提出一種新的套印誤差檢測方式。常用的檢測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因前一版套印不準(zhǔn)而造成以后各版的套印累計誤差。本系統(tǒng)采用單光電掃描頭進(jìn)行檢測，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)檢測方法中的套印累計誤差。

圖1 雙光電頭垂直檢測方式

圖2 單光電頭垂直檢測方式

3 自動套印系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

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

以6色套印為例，首先將第二版光電信號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)而檢測出脈沖編碼器輸出的PGZ信號相對于第一版色標(biāo)信號的位置，記為C1。由C1可以確定軟件產(chǎn)生的P-PGZ信號相對于第一版色標(biāo)信號的位置，記為C2，令C2小于10個脈沖。同時C2也確定了門信號S的起始位置，信號S的寬度為110mm，確保能檢測到各版色標(biāo)信號。通過門信號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)信號及本工位色標(biāo)信號送入8253中，經(jīng)PC機(jī)查詢、計算，確定出誤差量。再運(yùn)用控制算法計算出補(bǔ)償量，經(jīng)I/O電路驅(qū)動固態(tài)繼電器，控制補(bǔ)償電機(jī)的通、斷時間，實現(xiàn)誤差補(bǔ)償。系統(tǒng)工作過程中，可以通過示波器實時監(jiān)測各路光電信號及門信號S是否準(zhǔn)確。

圖3 自動套印系統(tǒng)硬件電路原理圖

4 增量式雙模Fuzzy控制器設(shè)計

生產(chǎn)過程中，運(yùn)動平衡不良、張力波動及印料熱變形等原因均會產(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，若不及時發(fā)現(xiàn)并加以修正，將會嚴(yán)重影響印刷質(zhì)量。由于彩印系統(tǒng)的機(jī)械傳動系統(tǒng)十分復(fù)雜，所以控制算法不能基于建模，同時還要具有較強(qiáng)的魯棒性和實時性，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)被控過程的實際特性，通過現(xiàn)場調(diào)整加以確定。本系統(tǒng)中Ew=0.3mm。當(dāng)|E|≤0.3時，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)計思想是在大偏差時，控制器的實質(zhì)就是一個基本模糊控制器，可取得動態(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)這個缺陷。因為增量式控制模態(tài)的輸出V(n)不僅與現(xiàn)時刻的偏差量有關(guān)，還和前一時刻的V(n-1)有關(guān)，相當(dāng)于在基本Fuzzy控制器的輸出端串聯(lián)一級用以改善小信號特性的積分器，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，則會增加系統(tǒng)過渡過程的時間。根據(jù)實際生產(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為(-1mm，1mm)。輸出控制量U的物理論域選為(-2mm，2mm)，即在一個采樣周期內(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，選擇控制量以盡快消除誤差為主;誤差較小時，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)動補(bǔ)償電機(jī)，通過控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)時間進(jìn)行超前或滯后補(bǔ)償。經(jīng)實際測定，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)計了10mm延時子程序，通過調(diào)用延時子程序?qū)崿F(xiàn)套印誤差的精確補(bǔ)償，從而消除套印誤差。

表1 彩色自動套印系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表

5 實驗結(jié)果及分析

本系統(tǒng)的測試條件:采用版輥周長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(因白色不需對版，只測量三組間的誤差)。

從生產(chǎn)線上取下一段十余米長的印刷薄膜，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)顯微鏡下測量其對版誤差，實際數(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)，對高檔彩色印刷，主要部分對版極限誤差應(yīng)小于0.3mm，而實測數(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，原因主要是高速時控制系統(tǒng)可以更快地對誤差做出反應(yīng)。當(dāng)印刷速度較低時，失控時間長，不確定性因素增多。表中數(shù)據(jù)同時表明后一版的對版誤差也要小于前一色的對版誤差，這是因為當(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控制器動態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)小、對參數(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控制器針對某一對象經(jīng)過調(diào)整可以獲得比較滿意的控制效果，但對參數(shù)變化很敏感，而且響應(yīng)時間較模糊控制器長;增量式雙模Fuzzy控制器取長補(bǔ)短，既具有常規(guī)模糊控制器動態(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/分鐘的對版誤差(單位:毫米)

表3 速度為30米/分鐘的對版誤差(單位:毫米)

6 結(jié)束語

在綜合考慮彩色印刷自動套印系統(tǒng)設(shè)計的實時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)的實時控制，同時解決了用硬件方法自動產(chǎn)生門信號的問題。實驗表明，該控制算法比常規(guī)控制方法具有系統(tǒng)動態(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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