CN101973163B - 基于计算前馈非线性补偿控制算法的墨量控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于计算前馈非线性补偿控制算法的墨量控制器，该控制器包括中心控制单元、电机驱动模块、墨斗体电机，所述的中心控制单元包括单片机模块、网络传输模块、AD采样模块，所述的AD采样模块获取当前墨斗体电机的位置信息并将其传输给单片机模块，再由所述的网络传输模块将当前墨斗体电机的位置信息传输给主站PLC，主站PLC将电机位置指令信号由网络传输模块传输给单片机模块，所述的单片机模块采用带计算前馈的非线性补偿控制算法对墨斗体电机需要转动的角度进行计算，并发送控制信号到电机驱动模块驱动墨斗体电机动作。与现有技术相比，本发明的墨量控制具有不依赖被控对象数学模型、计算量小、抑制干扰能力强、墨量调节稳定、墨量调节精度高等优点。

Description

基于计算前馈非线性补偿控制算法的墨量控制器

技术领域

本发明涉及一种墨量控制器，尤其是涉及一种基于计算前馈非线性补偿控制算法的墨量控制器。

背景技术

合理确定所需的墨量是保证印刷质量的前提。如果墨量过小，会因墨量不足造成印刷图文模糊，大量网点丢失；如果墨量过大，也会引起糊版和网点增大现象，严重影响阶调的再现性。因此，在印刷过程中需要灵活地根据印刷区域对墨量进行快速精确调节。墨量控制器是现代化印刷设备中必不可少的控制器，它的出现大大加快了印刷机在印刷过程中的调整速度，从而缩短产品的生产周期，还使得印品的色彩控制精度得到了极大的提高，减轻了操作工人的劳动强度，减少了原材料的消耗，增加企业的市场竞争力。

墨量控制器主要包括两个方面：墨斗辊整体出墨量大小的控制(总墨量控制)和沿墨斗辊轴向不同区段墨量的控制(分区墨量控制)。总墨量控制主要用来调整印刷版面整体深浅变化；分区墨量控制则用来调整印刷版面不同区域对墨量的不同需求。总墨量控制可通过调节墨斗辊的转速来实现；分区墨量控制的每个墨区都有一个驱动电机，控制器得到数据并控制电机的转动来调节墨斗刀片与墨斗辊之间的间隙，以实现墨量的局部调节，使之适应印版各区域的图文情况。

印刷过程中的着墨量是通过测量印品印刷密度(或色度)的测量加以控制的。印刷密度反映印品表面着墨量大小。墨量大，则墨层厚，对光的反射率小，密度值就高；相反，墨量小则反射密度值低。而墨层厚度除了受油墨、纸张性质制约外，还受印刷速度、印刷压力、环境因素等的影响(例如不同油墨由于本身性能的差别，着色力的不同，为了达到一定要求的密度值，其墨膜厚度是不同的)。总之在实际生产过程中，受印刷机型、纸张、油墨的特性、水墨平衡度、印刷压力以及测量仪器等各种因素的影响，使墨量控制具有非常大的不确定性和强非线性。另外，当印刷色组多、印刷幅面宽而墨键宽度又较小时，墨量控制器还要同时控制多个分区的墨量，对于时下越来越快的印刷速度要求，墨量控制的实时性要求非常高，这些都使设计高性能墨量控制器具有相当的难度。

海德堡、曼罗兰、小森等世界著名印刷机械生产企业都有各自的墨量控制装置。如海德堡胶印机的CPC和CP Tronic系统；曼罗兰胶印机的RCI、CCI系统；小森印刷质量控制系统PQC等。小森在油墨供给量调节方法中(ZL200510125405.9)将油墨调节前预设的标准油墨供给键开启比与油墨调节后的油墨供给键开启比相比较获得调节量，再乘以控制比获得对所有油墨供给键共同的油墨供给键开启比校正量。根据油墨供给键开启比校正量，调节油墨供给键开启比。海德堡提出的基于模型的油墨控制中(ZL200710003730.7)，控制计算机在计算墨层厚度时，首先建立当前承印物的光谱反射值与油墨反射值之间的关系。将油墨反射值及当前承印物的反射值输入该墨层厚度模型中，用计算出待调节的墨层厚度值，去控制相应的输墨装置，在输墨装置上借助油墨计量元件控制施加在输墨辊上的油墨。这些墨量的控制方法，大都基于准确的墨层厚度模型及较简单的墨量控制策略，对输墨量设定值的快速跟踪性能，以及对模型的不准确性和其它未知干扰因素的鲁棒性还不够理想。因此采用现代的智能控制算法使墨量控制更具有适应性、鲁棒性就变得十分有意义。

我国在生产开发墨量控制器方面起步较迟。在此项目之前，为满足人们对印刷质量不断增长的要求，国内印刷机控制系统核心墨量控制器全部依赖进口，而核心系统的价格约占整机销售额的40％。购买国外产品大大增加了企业的生产成本，非但没有自主知识产权，技术也一直处于落后状态，而且还存在进口系统服务成本高，服务响应时间慢等一系列弊端。高性能高质量墨量控制器中没有中国制造的核心原因是，长期以来中国在墨量控制器及其控制方法研制方面处于空白。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种墨量控制效果好、适用范围广的基于计算前馈非线性补偿控制算法的墨量控制器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于计算前馈非线性补偿控制算法的墨量控制器，其特征在于，该控制器包括中心控制单元、电机驱动模块、墨斗体电机，所述的中心控制单元包括单片机模块、网络传输模块、AD采样模块，所述的网络传输模块包括MFP3、CC-Link通讯接口，所述的电机驱动模块包括电机驱动电路、第一通信接口、第二通信接口，所述的CC-Link通讯接口与外部主站PLC连接，所述的电机驱动模块通过第一通信接口与中心控制单元连接，所述的电机驱动模块通过第二通信接口与墨斗体电机连接，所述的AD采样模块获取当前墨斗体电机的位置信息并将其传输给单片机模块，再由所述的网络传输模块将当前墨斗体的信息传输给主站PLC，主站PLC将电机位置指令信号由网络传输模块传输给单片机模块，所述的单片机模块采用带计算前馈的非线性补偿控制算法对墨斗体电机需要转动的角度进行计算，并通过第一通信接口发送控制信号到电机驱动模块驱动墨斗体电机动作。

所述的带计算前馈的非线性补偿控制算法如下：

$\mathrm{\τ}=-K_{p}e-K_v\stackrel{\·}{e}+A_M{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_d+A_c{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_d+A_g---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{A}}_M+{\mathrm{\δ}}_1{A}_M=-{\mathrm{\β}}_{1}s{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_d}^T\\ {\stackrel{\·}{A}}_c+{\mathrm{\δ}}_2{A}_c=-{\mathrm{\β}}_{2}s{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_d}^T\\ {\stackrel{\·}{A}}_g+{\mathrm{\δ}}_3{A}_g=-{\mathrm{\β}}_{3}s\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中τ是控制器输出控制信号：

e＝θ-θ_d为电机实际位置和期望位置指令之间的误差；

K_p＝diag.(k_p1，k_p2，...k_pn)^T  k_pi＞0为不考虑非线性补偿时PD控制的比例系数，n为一个色组墨斗分区个数；

K_v＝diag.(k_v1，k_v2，...k_vn)^T  k_vi＞0为不考虑非线性补偿时PD控制的微分系数；

A_M∈R^n×n，A_c∈R^n×n，A_g∈R^n×1分别是被控对象的惯性矩阵、非线性耦合矩阵、有限误差补偿矩阵，这三个矩阵由(2)式分别自适应计算得到；

算法中其余参数需满足下面四个条件

1)β₁＞0，β₂＞0，β₃＞0；

2) $\mathrm{\α}>1(s=\stackrel{\·}{e}+f\left(e\right),$ $f\left(e\right)=\frac{e}{\mathrm{\α}+\left|\right|e\left|\right|}=\mathrm{\βe});$

3) ${\mathrm{\δ}}_i={\mathrm{\δ}}_{i0}+{\mathrm{\δ}}_{i1}\left|\right|\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left|\right|,{\mathrm{\δ}}_{i0}>0,{\mathrm{\δ}}_{i1}>0;$

4)期望角速度和期望角加速度有界。

由控制算法的Lyapunov稳定性证明过程可知，当上面四个条件满足时，对任意初始条件，均可保证误差e和误差导数全局一致有界。

所述的电机驱动模块驱动墨斗体电机流程如下：

a)先判断电机是否锁定，若是，则退出，若否，执行步骤b)；

b)判断当前控制器是否有报警，若是，则退出，若否，执行步骤c)；

c)继续判断|目标值-反馈值|是否小于减速区，若是，采用低速脉冲驱动指令，若否，采用高速脉冲驱动指令；

d)判断|目标值-反馈值|是否小于死区，若是，一次定位完成，若否，则继续调整，并执行步骤e)；

e)判断目标值是否小于反馈值，若是，发电机正转指令，若否，发电机反转指令。

所述的目标值为电机位置指令，所述的反馈值为墨斗体电机当前实际位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、基于定制模块进行墨量控制器的高速高精度硬件设计，CC-Link远程设备模块不仅开国内印刷业核心控制模块自主开发的先河，而且具备及其优良的性能，可同时对一个色组的所有墨斗体电机(最多64个，以32个墨斗体电机为例进行说明)进行定位控制，且控制周期小(32个墨斗体电机定位信息的采集、处理、输出控制时间在2ms之内)，有效解决了多色、印刷幅面宽而墨键宽度小时的实时性控制问题；采用多层印刷电路板设计，满足了印刷机系统对墨量控制器尺寸的严格限制；基于CC-Link开发的远程设备模块，具备CC-Link总线设备的优异抗干扰性能，能够在工业现场稳定运行。

2、采用并行多任务程序机制、精减的控制算法计算结构等最新软件实现方法，以保证软件实现的高实时性。

3、带计算前馈的非线性补偿控制算法的误差是全局按指数收敛的，不依赖被控对象模型。控制算法实现简单，计算量小；在外部干扰不存在的情况下，通过调节自适应参数可以使墨量控制误差收敛到一任意小的区域内；在有界不确定性干扰存在的情况下，调节比例微分系数可以抑制有界不确定性干扰产生的运动误差。通过实验也证明了自适应项的作用和对模型不确定性的鲁棒性，使得墨量控制能适应不同印刷机型、纸张、油墨特性、水墨平衡度、印刷压力以及测量精度的变化。

4、将该算法应用于对墨斗体电机的控制中，可以有效加快电机对输入墨量信号的跟踪响应速度以及稳定性，即使在有干扰的情况下也能做到对墨量的精确快速调节，从而提高印刷质量，目前墨量调节精度可做到最好的2微米(国际先进)。

附图说明

图1为本发明一种基于计算前馈非线性补偿控制算法的墨量控制器的原理框图；

图2为本发明一种基于计算前馈非线性补偿控制算法的墨量控制器的网络传输模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于计算前馈非线性补偿控制算法的墨量控制器，该控制器包括中心控制单元4、电机驱动模块5、墨斗体电机6，所述的中心控制单元4包括单片机模块2、网络传输模块3、AD采样模块1，所述的网络传输模块3包括MFP3、CC-Link通讯接口，所述的电机驱动模块5包括电机驱动电路、第一通信接口、第二通信接口，控制器通过CC-Link通讯接口与主站PLC7通讯，从主站PLC7接收电机位置设定值信号、电机的报警复位信号、电机锁定标志等信号，并通过AD采样模块1采集墨区墨斗体(最多为64个)的真实位置信号，再由中心控制单元4通过CC-Link通讯接口向主站PLC7提供电机的当前位置反馈值、电机的运行状态、报警状态、定位完成标志。根据电机位置设定输入信号，以及当前墨斗体的真实位置，中心控制单4元的单片机模块2采用带计算前馈的非线性补偿控制算法对墨斗体电机需要转动的角度进行计算，并通过第一通信接口发送控制信号到电机驱动模块5驱动相应的电机6动作，每个电机驱动模块5可以驱动8路墨斗体电机，图1所示控制器共有4块电机驱动模块5，总共可控制32路墨区电机6。墨斗体电机6能有效适应不同纸张、油墨的特性、水墨平衡度、印刷压力等因素，保持墨量输出快速稳定地跟踪设定值。

如图2所示，网络传输模块3主要由MFP3及外围器件组成，状态显示部分负责显示CC-Link网络的运行情况，CC-Link网络可以自动检测网络运行情况，如网络地址的冲突、传输波特率的不匹配、网络断线等状况，并通过RUN、ERROR、SD、RD等信号灯进行显示。波特率、站号及占用内存站设置可分别设定网络传输的速率、远程设备站在网络中的位置和本身容量大小。CC-Link网络传输协议由MFP3完成，只需要对MFP3进行初始化设置，就可以根据MFP3的控制方法对MFP3进行字数据、位数据的读写。工作过程为：单片机模块2先建立与MFP3芯片的数据连接，并对其进行初始化。MFP3主动接收CC-Link主站模块的刷新循环，当主站PLC7发送新的电机位置设定值时，MFP3将接收到的信号通过数据总线发送到单片机，当单片机模块2对MFP3写入状态信息时，该模块又自动将数据通过网络发送到主站PLC7。

通过AD采样模块1获得当前各个墨区墨斗体的准确位置：由于控制器要求中心控制单元4对所有32个电机定位信息的采集、处理、输出控制时间在2ms之内，故采用MAXIM公司8路输入10位高速AD MAX1090。首先向MAX1090写入控制字，控制字包括选择时钟以及电源工作模式、获得模式、差分/非差分输入转换模式、单/双极性转换模式以及选择转换通道0～7。向MAX1090写入控制字以后，转换就开始了。转换完成以后，MAX1090的INT脚产生一个脉冲。令HBEN＝1，收入高位数据。令HBEN＝0，收入低位数据，一路转换完成。单片机通过控制字的方式依次对各个通道的模拟值进行转换，得到当前墨斗体的真实位置。该模块为了节省处理时间，采用查询的方式扫描中断。

中心控制单元4的单片机模块2将采用本发明提出的控制算法，通过电机位置设定值和当前墨斗体电机位置真实值进行自适应计算，得到墨斗体电机的目标位置。最后，单片机模块2根据墨斗电机6的目标位置，通过电机驱动模块5对各个电机6进行驱动。为方便控制和操作，以8个电机为一个单元，构成一块线路板。每一套墨量控制器中电机驱动线路板的数目，具体情况根据印刷机的型号而定(图中以4块驱动线路板，共32个电机为例进行说明)，中心控制单元4也应作相应设计上的变动。

所述的电机驱动模块驱动墨斗体电机流程如下：

a)先判断电机是否锁定，若是，则退出，若否，执行步骤b)；

b)判断当前控制器是否有报警，若是，则退出，若否，执行步骤c)；

c)继续判断|目标值-反馈值|是否小于减速区，若是，采用低速脉冲驱动指令，若否，采用高速脉冲驱动指令；

d)判断|目标值-反馈值|是否小于死区，若是，一次定位完成，若否，则继续调整，并执行步骤e)；

e)判断目标值是否小于反馈值，若是，发电机正转指令，若否，发电机反转指令。

所述的目标值为电机位置指令，所述的反馈值为墨斗体电机当前实际位置。

所述的带计算前馈的非线性补偿控制算法如下：

$\mathrm{\τ}=-K_{p}e-K_v\stackrel{\·}{e}+A_M{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_d+A_c{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_d+A_g---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{A}}_M+{\mathrm{\δ}}_1{A}_M=-{\mathrm{\β}}_{1}s{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_d}^T\\ {\stackrel{\·}{A}}_c+{\mathrm{\δ}}_2{A}_c=-{\mathrm{\β}}_{2}s{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_d}^T\\ {\stackrel{\·}{A}}_g+{\mathrm{\δ}}_3{A}_g=-{\mathrm{\β}}_{3}s\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中τ是控制器输出控制信号：

e＝θ-θ_d为电机实际角度和期望角度之间的误差；

K_p＝diag.(k_p1，k_p2，...k_pn)^T  k_pi＞0为不考虑非线性补偿时PD控制的比例系数；

K_v＝diag.(k_vi，k_v2，...k_vn)^T  k_vi＞0为不考虑非线性补偿时PD控制的微分系数；

A_M∈R^n×n，A_c∈R^n×n，A_g∈R^n×1分别是被控对象的惯性矩阵、非线性耦合矩阵、有限误差补偿矩阵，这三个矩阵由(2)式分别自适应计算得到；由控制算法的Lyapunov稳定性证明过程可以看出，当下面四个条件满足时，对任意初始条件，可保证误差e和误差导数全局一致有界：

1)β₁＞0，β₂＞0，β₃＞0；

2) $\mathrm{\α}>1(s=\stackrel{\·}{e}+f\left(e\right),$ $f\left(e\right)=\frac{e}{\mathrm{\α}+\left|\right|e\left|\right|}=\mathrm{\βe});$

3) ${\mathrm{\δ}}_i={\mathrm{\δ}}_{i0}+{\mathrm{\δ}}_{i1}\left|\right|\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left|\right|,{\mathrm{\δ}}_{i0}>0,{\mathrm{\δ}}_{i1}>0;$

4)期望角速度和期望角加速度有界。

Claims (3)

1.一种基于计算前馈非线性补偿控制算法的墨量控制器，其特征在于，该控制器包括中心控制单元、电机驱动模块、墨斗体电机，所述的中心控制单元包括单片机模块、网络传输模块、AD采样模块，所述的网络传输模块包括MFP3、CC-Link通讯接口，所述的电机驱动模块包括电机驱动电路、第一通信接口、第二通信接口，所述的CC-Link通讯接口与外部主站PLC连接，所述的电机驱动模块通过第一通信接口与中心控制单元连接，所述的电机驱动模块通过第二通信接口与墨斗体电机连接，所述的AD采样模块获取当前墨斗体电机的位置信息并将其传输给单片机模块，再由所述的网络传输模块将当前墨斗体的信息传输给主站PLC，主站PLC将电机位置指令信号由网络传输模块传输给单片机模块，所述的单片机模块采用带计算前馈的非线性补偿控制算法对墨斗体电机需要转动的角度进行计算，并通过第一通信接口发送控制信号到电机驱动模块驱动墨斗体电机动作；

所述的带计算前馈的非线性补偿控制算法如下：

$\mathrm{\τ}=-K_{p}e-K_v\stackrel{\·}{e}+A_M{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_d+A_c{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_d+A_g---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{A}}_M+{\mathrm{\δ}}_1{A}_M=-{\mathrm{\β}}_{1}s{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_d^T\\ {\stackrel{\·}{A}}_c+{\mathrm{\δ}}_2{A}_c=-{\mathrm{\β}}_{2}s{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_d^T\\ {\stackrel{\·}{A}}_g+{\mathrm{\δ}}_3{A}_g=-{\mathrm{\β}}_{3}s\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中τ是控制器输出控制信号：

e＝θ-θ_d为电机实际位置和期望位置指令之间的误差；

K_p＝diag.(k_p1，k_p2，...k_pn)^T k_pi＞0为不考虑非线性补偿时PD控制的比例系数，n为一个色组墨斗分区个数；

K_v＝diag.(k_v1，k_v2，...k_vn)^T k_vi＞0为不考虑非线性补偿时PD控制的微分系数；

A_M∈R^n×n，A_c∈R^n×n，A_g∈R^n×1分别是被控对象的惯性矩阵、非线性耦合矩阵、有限误差补偿矩阵，这三个矩阵由(2)式分别自适应计算得到；

算法中其余参数需满足下面四个条件

1)β₁＞0，β₂＞0，β₃＞0；

2)α＞1( $s=\stackrel{\·}{e}+f\left(e\right),$ $f\left(e\right)=\frac{e}{\mathrm{\α}+\left|\right|e\left|\right|}=\mathrm{\βe}$ )；

3) ${\mathrm{\δ}}_i={\mathrm{\δ}}_{i0}+{\mathrm{\δ}}_{i1}\left|\right|\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left|\right|,$ δ_i0＞0，δ_i1＞0；

4)期望角速度和期望角加速度有界；

由控制算法的Lyapunov稳定性证明过程可知，当上面四个条件满足时，对任意初始条件，均可保证误差e和误差导数

全局一致有界。

2.根据权利要求1所述的一种基于计算前馈非线性补偿控制算法的墨量控制器，其特征在于，所述的电机驱动模块驱动墨斗体电机流程如下：

a)先判断电机是否锁定，若是，则退出，若否，执行步骤b)；

b)判断当前控制器是否有报警，若是，则退出，若否，执行步骤c)；

c)继续判断|目标值-反馈值|是否小于减速区，若是，采用低速脉冲驱动指令，若否，采用高速脉冲驱动指令；

d)判断|目标值-反馈值|是否小于死区，若是，一次定位完成，若否，则继续调整，并执行步骤e)；

e)判断目标值是否小于反馈值，若是，发电机正转指令，若否，发电机反转指令。

3.根据权利要求2所述的一种基于计算前馈非线性补偿控制算法的墨量控制器，其特征在于，所述的目标值为电机位置指令，所述的反馈值为墨斗体电机当前实际位置。

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