專利名稱：基于計算前饋非線性補償控制算法的墨量控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種墨量控制器，尤其是涉及一種基于計算前饋非線性補償控制算法 的墨量控制器。
背景技術：
合理確定所需的墨量是保證印刷質量的前提。如果墨量過小，會因墨量不足造成 印刷圖文模糊，大量網點丟失；如果墨量過大，也會引起糊版和網點增大現(xiàn)象，嚴重影響階 調的再現(xiàn)性。因此，在印刷過程中需要靈活地根據(jù)印刷區(qū)域對墨量進行快速精確調節(jié)。墨 量控制器是現(xiàn)代化印刷設備中必不可少的控制器，它的出現(xiàn)大大加快了印刷機在印刷過程 中的調整速度，從而縮短產品的生產周期，還使得印品的色彩控制精度得到了極大的提高， 減輕了操作工人的勞動強度，減少了原材料的消耗，增加企業(yè)的市場競爭力。墨量控制器主要包括兩個方面墨斗輥整體出墨量大小的控制(總墨量控制)和 沿墨斗輥軸向不同區(qū)段墨量的控制(分區(qū)墨量控制)?？偰靠刂浦饕脕碚{整印刷版 面整體深淺變化；分區(qū)墨量控制則用來調整印刷版面不同區(qū)域對墨量的不同需求?？偰?控制可通過調節(jié)墨斗輥的轉速來實現(xiàn)；分區(qū)墨量控制的每個墨區(qū)都有一個驅動電機，控制 器得到數(shù)據(jù)并控制電機的轉動來調節(jié)墨斗刀片與墨斗輥之間的間隙，以實現(xiàn)墨量的局部調 節(jié)，使之適應印版各區(qū)域的圖文情況。印刷過程中的著墨量是通過測量印品印刷密度(或色度)的測量加以控制的。印 刷密度反映印品表面著墨量大小。墨量大，則墨層厚，對光的反射率小，密度值就高；相反， 墨量小則反射密度值低。而墨層厚度除了受油墨、紙張性質制約外，還受印刷速度、印刷壓 力、環(huán)境因素等的影響(例如不同油墨由于本身性能的差別，著色力的不同，為了達到一定 要求的密度值，其墨膜厚度是不同的)?？傊趯嶋H生產過程中，受印刷機型、紙張、油墨的 特性、水墨平衡度、印刷壓力以及測量儀器等各種因素的影響，使墨量控制具有非常大的不 確定性和強非線性。另外，當印刷色組多、印刷幅面寬而墨鍵寬度又較小時，墨量控制器還 要同時控制多個分區(qū)的墨量，對于時下越來越快的印刷速度要求，墨量控制的實時性要求 非常高，這些都使設計高性能墨量控制器具有相當?shù)碾y度。海德堡、曼羅蘭、小森等世界著名印刷機械生產企業(yè)都有各自的墨量控制裝置。如 海德堡膠印機的CPC和CP Tronic系統(tǒng)；曼羅蘭膠印機的RCI、CCI系統(tǒng)；小森印刷質量控 制系統(tǒng)PQC等。小森在油墨供給量調節(jié)方法中(ZL200510125405.9)將油墨調節(jié)前預設的 標準油墨供給鍵開啟比與油墨調節(jié)后的油墨供給鍵開啟比相比較獲得調節(jié)量，再乘以控制 比獲得對所有油墨供給鍵共同的油墨供給鍵開啟比校正量。根據(jù)油墨供給鍵開啟比校正 量，調節(jié)油墨供給鍵開啟比。海德堡提出的基于模型的油墨控制中(ZL200710003730.7)， 控制計算機在計算墨層厚度時，首先建立當前承印物的光譜反射值與油墨反射值之間的關 系。將油墨反射值及當前承印物的反射值輸入該墨層厚度模型中，用計算出待調節(jié)的墨層 厚度值，去控制相應的輸墨裝置，在輸墨裝置上借助油墨計量元件控制施加在輸墨輥上的 油墨。這些墨量的控制方法，大都基于準確的墨層厚度模型及較簡單的墨量控制策略，對輸墨量設定值的快速跟蹤性能，以及對模型的不準確性和其它未知干擾因素的魯棒性還不夠 理想。因此采用現(xiàn)代的智能控制算法使墨量控制更具有適應性、魯棒性就變得十分有意義。我國在生產開發(fā)墨量控制器方面起步較遲。在此項目之前，為滿足人們對印刷質 量不斷增長的要求，國內印刷機控制系統(tǒng)核心墨量控制器全部依賴進口，而核心系統(tǒng)的價 格約占整機銷售額的40%。購買國外產品大大增加了企業(yè)的生產成本，非但沒有自主知識 產權，技術也一直處于落后狀態(tài)，而且還存在進口系統(tǒng)服務成本高，服務響應時間慢等一系 列弊端。高性能高質量墨量控制器中沒有中國制造的核心原因是，長期以來中國在墨量控 制器及其控制方法研制方面處于空白。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種墨量控制效果好、 適用范圍廣的基于計算前饋非線性補償控制算法的墨量控制器。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)一種基于計算前饋非線性補償控制算法的墨量控制器，其特征在于，該控制器包 括中心控制單元、電機驅動模塊、墨斗體電機，所述的中心控制單元包括單片機模塊、網絡 傳輸模塊、AD采樣模塊，所述的網絡傳輸模塊包括MFP3、CC-Link通訊接口，所述的電機驅 動模塊包括電機驅動電路、第一通信接口、第二通信接口，所述的CC-Link通訊接口與外部 主站PLC連接，所述的電機驅動模塊通過第一通信接口與中心控制單元連接，所述的電機 驅動模塊通過第二通信接口與墨斗體電機連接，所述的AD采樣模塊獲取當前墨斗體電機 的位置信息并將其傳輸給單片機模塊，再由所述的網絡傳輸模塊將當前墨斗體的信息傳輸 給主站PLC，主站PLC將電機位置指令信號由網絡傳輸模塊傳輸給單片機模塊，所述的單片 機模塊采用帶計算前饋的非線性補償控制算法對墨斗體電機需要轉動的角度進行計算，并 通過第一通信接口發(fā)送控制信號到電機驅動模塊驅動墨斗體電機動作。所述的帶計算前饋的非線性補償控制算法如下
T = ~Kpe-Kve + Ajd+Ac0d+Ag(1)
K +S1AM = -β^θ/
< Ac+S2Ac=-P2SO/(2)
A +Ms 二-知其中τ是控制器輸出控制信號e = θ - θ d為電機實際位置和期望位置指令之間的誤差；Kp = diag. (kpl，kp2，...kpn)T kpi>0為不考慮非線性補償時PD控制的比例系數(shù)， η為一個色組墨斗分區(qū)個數(shù)；Kv = diag. (kvl，kv2，...kJT kvi>0為不考慮非線性補償時PD控制的微分系數(shù)；Am e Rnxn，Ac e Rnxn，Ag e Rnxi分別是被控對象的慣性矩陣、非線性耦合矩陣、有 限誤差補償矩陣，這三個矩陣由(2)式分別自適應計算得到；算法中其余參數(shù)需滿足下面四個條件
5
1) β ！ > 0, β2 > 0, β 3 > 0 ；2), , . a、= 二 ι, = Pe、
a>l (s = e + f{e) , +IkIl ); 3) δ( = δι0 + Sll W θ I Si0 > 0, δα > 0 ；4)期望角速度和期望角加速度有界。由控制算法的Lyapimov穩(wěn)定性證明過程可知，當上面四個條件滿足時，對任意初 始條件，均可保證誤差e和誤差導數(shù) 全局一致有界。所述的電機驅動模塊驅動墨斗體電機流程如下a)先判斷電機是否鎖定，若是，則退出，若否，執(zhí)行步驟b)；b)判斷當前控制器是否有報警，若是，則退出，若否，執(zhí)行步驟C)；c)繼續(xù)判斷I目標值_反饋值I是否小于減速區(qū)，若是，采用低速脈沖驅動指令， 若否，采用高速脈沖驅動指令；d)判斷I目標值_反饋值I是否小于死區(qū)，若是，一次定位完成，若否，則繼續(xù)調 整，并執(zhí)行步驟e)；e)判斷目標值是否小于反饋值，若是，發(fā)電機正轉指令，若否，發(fā)電機反轉指令。所述的目標值為電機位置指令，所述的反饋值為墨斗體電機當前實際位置。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、基于定制模塊進行墨量控制器的高速高精度硬件設計，CC-Link遠程設備模塊 不僅開國內印刷業(yè)核心控制模塊自主開發(fā)的先河，而且具備及其優(yōu)良的性能，可同時對一 個色組的所有墨斗體電機(最多64個，以32個墨斗體電機為例進行說明)進行定位控制， 且控制周期小(32個墨斗體電機定位信息的采集、處理、輸出控制時間在2ms之內)，有效 解決了多色、印刷幅面寬而墨鍵寬度小時的實時性控制問題；采用多層印刷電路板設計，滿 足了印刷機系統(tǒng)對墨量控制器尺寸的嚴格限制；基于CC-Link開發(fā)的遠程設備模塊，具備 CC-Link總線設備的優(yōu)異抗干擾性能，能夠在工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定運行。2、采用并行多任務程序機制、精減的控制算法計算結構等最新軟件實現(xiàn)方法，以 保證軟件實現(xiàn)的高實時性。3、帶計算前饋的非線性補償控制算法的誤差是全局按指數(shù)收斂的，不依賴被控對 象模型?？刂扑惴▽崿F(xiàn)簡單，計算量?。辉谕獠扛蓴_不存在的情況下，通過調節(jié)自適應參數(shù) 可以使墨量控制誤差收斂到一任意小的區(qū)域內；在有界不確定性干擾存在的情況下，調節(jié) 比例微分系數(shù)可以抑制有界不確定性干擾產生的運動誤差。通過實驗也證明了自適應項的 作用和對模型不確定性的魯棒性，使得墨量控制能適應不同印刷機型、紙張、油墨特性、水 墨平衡度、印刷壓力以及測量精度的變化。4、將該算法應用于對墨斗體電機的控制中，可以有效加快電機對輸入墨量信號的 跟蹤響應速度以及穩(wěn)定性，即使在有干擾的情況下也能做到對墨量的精確快速調節(jié)，從而 提高印刷質量，目前墨量調節(jié)精度可做到最好的2微米(國際先進)。


圖1為本發(fā)明一種基于計算前饋非線性補償控制算法的墨量控制器的原理框圖；圖2為本發(fā)明一種基于計算前饋非線性補償控制算法的墨量控制器的網絡傳輸模塊的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例如圖1所示，一種基于計算前饋非線性補償控制算法的墨量控制器，該控制器包 括中心控制單元4、電機驅動模塊5、墨斗體電機6，所述的中心控制單元4包括單片機模 塊2、網絡傳輸模塊3、AD采樣模塊1，所述的網絡傳輸模塊3包括MFP3、CC-Link通訊接 口，所述的電機驅動模塊5包括電機驅動電路、第一通信接口、第二通信接口，控制器通過 CC-Link通訊接口與主站PLC7通訊，從主站PLC7接收電機位置設定值信號、電機的報警復 位信號、電機鎖定標志等信號，并通過AD采樣模塊1采集墨區(qū)墨斗體(最多為64個)的真 實位置信號，再由中心控制單元4通過CC-Link通訊接口向主站PLC7提供電機的當前位置 反饋值、電機的運行狀態(tài)、報警狀態(tài)、定位完成標志。根據(jù)電機位置設定輸入信號，以及當前 墨斗體的真實位置，中心控制單4元的單片機模塊2采用帶計算前饋的非線性補償控制算 法對墨斗體電機需要轉動的角度進行計算，并通過第一通信接口發(fā)送控制信號到電機驅動 模塊5驅動相應的電機6動作，每個電機驅動模塊5可以驅動8路墨斗體電機，圖1所示控 制器共有4塊電機驅動模塊5，總共可控制32路墨區(qū)電機6。墨斗體電機6能有效適應不 同紙張、油墨的特性、水墨平衡度、印刷壓力等因素，保持墨量輸出快速穩(wěn)定地跟蹤設定值。如圖2所示，網絡傳輸模塊3主要由MFP3及外圍器件組成，狀態(tài)顯示部分負責顯 示CC-Link網絡的運行情況，CC-Link網絡可以自動檢測網絡運行情況，如網絡地址的沖 突、傳輸波特率的不匹配、網絡斷線等狀況，并通過RUN、ERROR、SD、RD等信號燈進行顯示。 波特率、站號及占用內存站設置可分別設定網絡傳輸?shù)乃俾?、遠程設備站在網絡中的位置 和本身容量大小。CC-Link網絡傳輸協(xié)議由MFP3完成，只需要對MFP3進行初始化設置，就 可以根據(jù)MFP3的控制方法對MFP3進行字數(shù)據(jù)、位數(shù)據(jù)的讀寫。工作過程為單片機模塊2 先建立與MFP3芯片的數(shù)據(jù)連接，并對其進行初始化。MFP3主動接收CC-Link主站模塊的刷 新循環(huán)，當主站PLC7發(fā)送新的電機位置設定值時，MFP3將接收到的信號通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送 到單片機，當單片機模塊2對MFP3寫入狀態(tài)信息時，該模塊又自動將數(shù)據(jù)通過網絡發(fā)送到 主站PLC7。通過AD采樣模塊1獲得當前各個墨區(qū)墨斗體的準確位置由于控制器要求中心控 制單元4對所有32個電機定位信息的采集、處理、輸出控制時間在2ms之內，故采用MAXIM 公司8路輸入10位高速AD MAX1090。首先向MAX1090寫入控制字，控制字包括選擇時鐘 以及電源工作模式、獲得模式、差分/非差分輸入轉換模式、單/雙極性轉換模式以及選擇 轉換通道0 7。向MAX1090寫入控制字以后，轉換就開始了。轉換完成以后，MAX1090的 INT腳產生一個脈沖。令HBEN = 1，收入高位數(shù)據(jù)。令HBEN = 0,收入低位數(shù)據(jù)，一路轉換 完成。單片機通過控制字的方式依次對各個通道的模擬值進行轉換，得到當前墨斗體的真 實位置。該模塊為了節(jié)省處理時間，采用查詢的方式掃描中斷。中心控制單元4的單片機模塊2將采用本發(fā)明提出的控制算法，通過電機位置設 定值和當前墨斗體電機位置真實值進行自適應計算，得到墨斗體電機的目標位置。最后，單 片機模塊2根據(jù)墨斗電機6的目標位置，通過電機驅動模塊5對各個電機6進行驅動。為
7方便控制和操作，以8個電機為一個單元，構成一塊線路板。每一套墨量控制器中電機驅動 線路板的數(shù)目，具體情況根據(jù)印刷機的型號而定(圖中以4塊驅動線路板，共32個電機為 例進行說明)，中心控制單元4也應作相應設計上的變動。所述的電機驅動模塊驅動墨斗體電機流程如下a)先判斷電機是否鎖定，若是，則退出，若否，執(zhí)行步驟b)；b)判斷當前控制器是否有報警，若是，則退出，若否，執(zhí)行步驟C)；c)繼續(xù)判斷I目標值_反饋值I是否小于減速區(qū)，若是，采用低速脈沖驅動指令， 若否，采用高速脈沖驅動指令；d)判斷I目標值_反饋值I是否小于死區(qū)，若是，一次定位完成，若否，則繼續(xù)調 整，并執(zhí)行步驟e)；e)判斷目標值是否小于反饋值，若是，發(fā)電機正轉指令，若否，發(fā)電機反轉指令。所述的目標值為電機位置指令，所述的反饋值為墨斗體電機當前實際位置。所述的帶計算前饋的非線性補償控制算法如下
—Kpe-Kj + Ajd+A^+Ag(1)
權利要求
一種基于計算前饋非線性補償控制算法的墨量控制器，其特征在于，該控制器包括中心控制單元、電機驅動模塊、墨斗體電機，所述的中心控制單元包括單片機模塊、網絡傳輸模塊、AD采樣模塊，所述的網絡傳輸模塊包括MFP3、CC Link通訊接口，所述的電機驅動模塊包括電機驅動電路、第一通信接口、第二通信接口，所述的CC Link通訊接口與外部主站PLC連接，所述的電機驅動模塊通過第一通信接口與中心控制單元連接，所述的電機驅動模塊通過第二通信接口與墨斗體電機連接，所述的AD采樣模塊獲取當前墨斗體電機的位置信息并將其傳輸給單片機模塊，再由所述的網絡傳輸模塊將當前墨斗體的信息傳輸給主站PLC，主站PLC將電機位置指令信號由網絡傳輸模塊傳輸給單片機模塊，所述的單片機模塊采用帶計算前饋的非線性補償控制算法對墨斗體電機需要轉動的角度進行計算，并通過第一通信接口發(fā)送控制信號到電機驅動模塊驅動墨斗體電機動作。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于計算前饋非線性補償控制算法的墨量控制器，其特 征在于，所述的帶計算前饋的非線性補償控制算法如下
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于計算前饋非線性補償控制算法的墨量控制器，其特 征在于，所述的電機驅動模塊驅動墨斗體電機流程如下a)先判斷電機是否鎖定，若是，則退出，若否，執(zhí)行步驟b)；b)判斷當前控制器是否有報警，若是，則退出，若否，執(zhí)行步驟c)；c)繼續(xù)判斷I目標值_反饋值I是否小于減速區(qū)，若是，采用低速脈沖驅動指令，若否， 采用高速脈沖驅動指令；d)判斷I目標值_反饋值I是否小于死區(qū)，若是，一次定位完成，若否，則繼續(xù)調整，并執(zhí)行步驟e)；e)判斷目標值是否小于反饋值，若是，發(fā)電機正轉指令，若否，發(fā)電機反轉指令。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于計算前饋非線性補償控制算法的墨量控制器，其特 征在于，所述的目標值為電機位置指令，所述的反饋值為墨斗體電機當前實際位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于計算前饋非線性補償控制算法的墨量控制器，該控制器包括中心控制單元、電機驅動模塊、墨斗體電機，所述的中心控制單元包括單片機模塊、網絡傳輸模塊、AD采樣模塊，所述的AD采樣模塊獲取當前墨斗體電機的位置信息并將其傳輸給單片機模塊，再由所述的網絡傳輸模塊將當前墨斗體電機的位置信息傳輸給主站PLC，主站PLC將電機位置指令信號由網絡傳輸模塊傳輸給單片機模塊，所述的單片機模塊采用帶計算前饋的非線性補償控制算法對墨斗體電機需要轉動的角度進行計算，并發(fā)送控制信號到電機驅動模塊驅動墨斗體電機動作。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的墨量控制具有不依賴被控對象數(shù)學模型、計算量小、抑制干擾能力強、墨量調節(jié)穩(wěn)定、墨量調節(jié)精度高等優(yōu)點。
文檔編號B41F33/10GK101973163SQ2009102012
公開日2011年2月16日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權日2009年12月17日
發(fā)明者趙霞, 陳啟軍 申請人:同濟大學