CN116216401B - 数码印刷机张力控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数码印刷机张力控制系统，属于印刷机张力控制技术领域。包括控制单元、张力监测模块、显示模块、扰动监测模块、张力控制模块、参数修整模块、通信模块和管理云平台；控制单元用于接收来自张力监测模块、显示模块、扰动监测模块、参数修整模块和通信模块的信号，并根据采集和设定的控制参数以及控制策略，通过调节直流无刷电机的转速实现张力控制；管理云平台用于PID控制器的参数的优化及控制策略中调用的张力修正模型的更新。本发明通过动态调整张力值实现对PID控制器的参数在线自适应整定，提高张力控制系统的适应性，同时配合后端管理云平台在保证系统响应度和稳定性的同时，易于张力控制系统的扩展和管理。

Description

数码印刷机张力控制系统

技术领域

本发明属于印刷机张力控制技术领域，具体涉及一种数码印刷机张力控制系统。

背景技术

数码印刷机突破了数码印刷技术瓶颈，实现了真正意义上的一张起印、无须制版、全彩图像一次完成。现有设备安装有两组及以上牵引时，各牵引组之间的同步运用电子齿轮或电子凸轮进行控制，理论上是可行的，但是由于每两组牵引的机械结构及电机等无法保证完全相同，以及安装精度也无法保证一样，所以在做不同牵引之间的同步时，大多通过调节参数尽量同步，对机械加工精度、安装精度以及调试都有较高的要求。因此在对印刷材料进行印刷时为了避免每两组牵引的机械结构及电机引起的印刷物张力过大造成印刷物撕裂或张力较小造成印刷物套印不准、折叠的情况发生，一般印刷机还包括有张力控制系统完成对张力的调节。

目前的大多数的张力控制系统，以可编程逻辑控制器（PLC）为中央处理器，向PLC发送预设张力信号，PLC将张力传感器实时反馈的实际张力值与预设的张力值进行对比，然后运用PID控制算法，再次输出控制直流电机，以此组成闭环回路，调节实际张力值与预设张力值基本相等。

但是在实际的应用中，张力调节的过程中忽略了很多影响因素，如印刷材料的基本属性、生产工艺要求、印刷机运行状态以及传感器误差等影响因素没有进行统一的处理以及张力控制系统的动态调整，从而使得张力未能达到预期的调节指标，导致印刷系统不稳定影响印刷质量和生产效率。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种数码印刷机张力控制系统，通过动态调整张力值实现对PID控制器的参数在线自适应整定，提高张力控制系统的适应性，同时配合后端管理云平台在保证系统响应度和稳定性的同时，易于张力控制系统的扩展和管理。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种数码印刷机张力控制系统，包括控制单元、张力监测模块、显示模块、扰动监测模块、张力控制模块、参数修整模块、通信模块和管理云平台；所述张力监测模块、显示模块、扰动监测模块、张力控制模块、参数修整模块和通信模块均与控制单元建立电连接，所述管理云平台与通信模块无线连接；

所述控制单元，用于接收来自张力监测模块、显示模块、扰动监测模块、参数修整模块和通信模块的信号，并根据采集和设定的控制参数以及控制策略，通过调节直流无刷电机的转速来实现对印刷材料的张力控制；

所述管理云平台，用于PID控制器的参数的优化及控制策略中调用的张力修正模型的更新，使其控制单元通过执行更新后的PID控制器的参数及张力修正模型完成对张力更加精准的控制。

作为本发明的一种优选技术方案，所述控制单元的控制策略为：

通过参数修整模块扫描采集的印刷材料的基本属性与显示模块输入的工作参数进行核验，使得工作参数与实际印刷材料一致；通过检测采集的数据进一步修正印刷材料的基本属性；

根据修正后的基本属性通过张力修正模型修正工作参数中的张力值，再通过修正后的张力值从参数修整模块中匹配印刷过程中张力控制模块实际采用的控制参数；

将控制参数输入张力控制模块，使得张力控制系统正常运行，在运行过程中通过扰动监测模块在线监测印刷机的整体运行状态和外部扰动信息；在监测到外部扰动信息时，重新修正张力值并匹配控制参数；在预测到故障信号时，启动打印机稳定停机，防止印刷机故障紧急停车造成张力控制失效损坏印刷材料。

作为本发明的一种优选技术方案，所述张力监测模块，通过设置于印刷张力区的若干张力传感器来测量印刷张力区印刷材料实际的张力大小，并将其转换为电信号输出至控制单元；所述显示模块，用于提供给操作员可视化界面，方便进行设备运行状态的监控、工作参数设置和故障诊断。

作为本发明的一种优选技术方案，所述工作参数包括印刷材料的基本属性和张力控制系统的控制参数；

其中，印刷材料的基本属性包括材料类型、宽度、厚度和弹性模量；张力控制系统的控制参数包括张力值、电机转速和PID控制器的参数。

作为本发明的一种优选技术方案，所述扰动监测模块，包括若干温湿度传感器、转速传感器、加速度传感器和位置传感器，用于监测印刷机的整体运行状态和外部扰动信息，并将其转化为电信号输出至控制单元。

作为本发明的一种优选技术方案，所述张力控制模块，包括PID控制器、直流无刷电机驱动器和直流无刷电机，结合来自控制单元的运行参数和反馈参数通过调节直流无刷电机的转速来实现对印刷材料张力的闭环控制。

作为本发明的一种优选技术方案，所述运行参数包括经过控制单元修正后的张力值和PID控制器的参数；其中PID控制器的参数包括比例系数、积分系数和微分系数；反馈参数具体为经过控制单元依据张力传感器的响应特性进行时间补偿后的实时张力信号。

作为本发明的一种优选技术方案，所述参数修整模块，包括参数库、扫描传感器和检测传感器；

所述参数库用于存储各种类型印刷材料对应的工作参数；

所述扫描传感器用于扫描识别每个印刷材料卷轴上的标签或二维码获取印刷材料的基本属性；

所述检测传感器包括对印刷材料厚度、宽度、湿度和弹性模量进行检测的传感器。

作为本发明的一种优选技术方案，所述通信模块，通过连接管理云平台实现源数据的上传以及接收更新后的PID控制器参数和控制策略中调用的张力修正模型；

其中源数据包括预设张力值、张力测量值、误差信号、时间间隔和PID控制器的输出，以及对应的PID控制器的参数。

作为本发明的一种优选技术方案，所述外部扰动信息具体为由温湿度变化引起材料的基本属性的变化。

本发明的有益效果为：

（1）通过核验工作参数与实际印刷材料一致性和扰动监测模块对故障信号的预测避免了印刷机故障紧急停车造成张力控制失效，从而对印刷材料的损坏。张力控制模块通过采用PID控制器完成张力的闭环控制，提高了张力控制的响应度以及精准度，提高生产效率和印刷质量。张力控制模块的反馈参数经过控制单元依据张力传感器的响应特性进行时间补偿，进一步提升张力控制系统的控制精度和响应速度。

（2）通过控制单元运行的控制策略，根据扰动监测模块在线监测外部扰动信息时，重新修正张力值并匹配控制参数，通过动态调整张力值从而匹配PID控制器的参数逼近控制规则，实现对PID控制器的参数在线自适应整定，提高张力控制系统的适应性，实现对张力的最佳控制。

（3）通过管理云平台不断更新的参数库和张力修正模型，为张力修正和控制参数的匹配提供了更加准确的模型和完善的控制参数，使得张力的设定以及控制参数不仅仅来源于经验值，经过修正的预设值更加拟合实际的应用设备。通过后端管理云平台与控制单元的分工处理的运行方式，在保证系统响应度和稳定性的同时，易于张力控制系统的扩展和管理。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

请参阅图1，一种数码印刷机张力控制系统，包括控制单元、张力监测模块、显示模块、扰动监测模块、张力控制模块、参数修整模块、通信模块和管理云平台；

所述张力监测模块、显示模块、扰动监测模块、张力控制模块、参数修整模块和通信模块均与控制单元建立电连接，所述管理云平台与通信模块无线连接。

所述控制单元，用于接收来自张力监测模块、显示模块、扰动监测模块、参数修整模块和通信模块的信号，并根据采集和设定的控制参数以及控制策略，通过调节直流无刷电机的转速来实现对印刷材料的张力控制。

需说明的是，控制单元根据监控实时数据向张力控制模块发出控制命令，实时调整张力控制模块的控制参数以达到调节直流无刷电机转速的目的，进而完成印刷材料张力的实时调整。

可理解的是，张力控制系统一般根据需求可设置若干直流无刷电机用于控制前张力辊和后张力辊的运转速度，进而调节印刷材料的张力，张力控制模块可根据实际控制的直流无刷电机的数量对应性设置。

所述张力监测模块，通过设置于印刷张力区的若干张力传感器来测量该区域印刷材料实际的张力大小，并将其转换为电信号输出至控制单元。

需说明的是，由于传感器响应速度、系统延迟等原因，张力控制系统的响应速度可能较慢，导致印刷材料张力出现瞬间波动和过度摆动的现象，对于张力控制模块中实际采用的张力传感器在应用前测试其实际的响应特性，包括延迟和滞后等信息。从而估算张力传感器的时间延迟进行时间补偿。

所述显示模块，用于提供给操作员可视化界面，方便进行设备运行状态的监控、工作参数设置和故障诊断等操作。

可理解的是，操作员可通过显示模块进行工作参数设置，其中工作参数具体为印刷材料的基本属性和张力控制系统的控制参数。其中，印刷材料的基本属性包括材料类型、宽度、厚度和弹性模量；张力控制系统的控制参数包括张力值、电机转速、PID控制器的参数。

需说明的是，工作参数中的印刷材料基本属性来源于印刷材料厂家，其中张力控制系统的控制参数源于经验值。

所述扰动监测模块，包括若干温湿度传感器、转速传感器、加速度传感器和位置传感器，用于监测印刷机的整体运行状态和外部扰动信息，并将其转化为电信号输出至控制单元。

需说明的是，温湿度传感器包括张力控制系统的直流无刷电机的温度传感器和印刷机所处环境的温湿度传感器，用于在线监测直流无刷电机的温度和环境的温湿度变化；转速传感器用于在线监测直流无刷电机的转速；加速度传感器用于采集直流无刷电机以及印刷机整体的振动频率；位置传感器用于监测印刷材料在印刷区的位置。

可理解的是，通过以上传感器进行数据采集，完成对设备的整体运行状态在线监测，对印刷机设备故障提前预测，防止印刷机故障紧急停车造成张力控制失效，从而对印刷材料的损坏。其中环境的温湿度变化监测还用于对印刷材料的基本属性进行修正，从而调整控制参数。

所述张力控制模块，包括PID控制器、直流无刷电机驱动器和直流无刷电机，结合来自控制单元的运行参数和反馈参数通过调节直流无刷电机的转速来实现对印刷材料张力的闭环控制。

具体的，运行参数包括经过控制单元修正后的张力值和PID控制器的参数；其中PID控制器的参数包括比例系数、积分系数和微分系数。反馈参数包括张力监测模块测试的实时张力信号，控制单元通过估算张力传感器的时间延迟对张力信号进行时间补偿，提高PID控制器的响应速度。

需说明的是，PID控制器根据来自控制单元的运行参数向直流无刷电机驱动器发送驱动信号，直流无刷电机驱动器将控制电流传递到直流无刷电机，直流无刷电机根据控制电流的大小转动，进而使带材的前张力辊和后张力辊的转动，通过控制单元将张力监测模块测试的张力信号等反馈参数送回控制器，从而完成张力的闭环控制。

所述参数修整模块，包括参数库、扫描传感器和检测传感器，通过扫描识别每个印刷材料卷轴上的标签或二维码获取印刷材料的基本属性，同时结合输入的工作参数确定印刷材料的基本属性是否有误；检测传感器包括对印刷材料厚度、宽度、湿度和弹性模量的检测，进一步对印刷材料的基本属性现场修正，从而使得控制单元更加准确的匹配印刷过程中张力控制模块的控制参数。参数库用于存储各种类型印刷材料对应的工作参数，在长期的运行中参数库的数据通过管理云平台不断地更新使其更加的准确和完善。

需说明的是，为防止输入的工作参数与实际印刷材料的不一致性，在进行印刷时通过扫描获取印刷材料的基本属性进行核验；为了保证控制参数匹配的准确性，参数修整模块还通过检测传感器进一步修正印刷材料的一些基本属性，如厚度和弹性模量等。

可理解的是，由于环境的变化会引起印刷材料弹性模量的改变，进而导致张力控制出现误差，因此通过对印刷材料印刷时的一些基本属性的进行检测，从而修正控制单元匹配控制参数的依据。

所述通信模块，通过连接管理云平台实现源数据的上传以及接收更新后的PID控制器参数和控制策略中调用的张力修正模型。

需说明的是，源数据包括张力控制系统在运行过程中采集的实时数据如预设张力值、张力测量值、误差信号、时间间隔和PID控制器的输出，以及对应的PID控制器的参数。

所述管理云平台用于PID控制器的参数的优化及控制策略中调用的张力修正模型的更新，使其控制单元通过执行更新后的PID控制器的参数及张力修正模型完成对张力更加精准的控制。

需说明的是，管理云平台通过采用神经网络学习算法完成PID控制器的参数更新，具体为：

S11、选择输入：将源数据作为输入，PID控制器的参数作为输出。

S12、构建神经网络：使用适当的深度学习框架来构建一个神经网络结构，例如卷积神经网络，根据实际情况选择合适的层数、隐藏节点数和激活函数，以确保最佳结果。

S13、训练和测试模型：使用数据集来训练模型，并在独立的测试数据集上进行测试；数据集即为预设张力值、张力测量值、误差信号、时间间隔和PID控制器的输出等变量的若干组数据。在训练过程中，使用反向传播算法来优化模型参数。

S14、通过对模型的输出进行比较评估其性能，并通过调整神经网络结构提高性能。

S15、将最终获得的模型用于PID控制器参数的优化。

实际应用时根据源数据获取PID控制器的参数下发至控制单元通过参数修整模块进行分组存储。

更新张力修正模型的过程具体为：

S21、将采集的印刷材料类型、厚度、弹性模量和环境温湿度等参数进行预处理后作为输入数据。设计适合的神经网络模型结构，并选择激活函数、损失函数等相关参数。

S22、采用反向传播算法等方法，对设计好的神经网络模型进行训练，以建立印刷材料类型、厚度、弹性模量和环境温湿度等因素与张力值之间的映射关系。

S23、使用验证数据集来测试模型的性能和精度，并根据结果进行调整和优化，以达到最佳的预测效果。将训练好的张力修正模型应用控制单元中，用于实时修正张力值。

需说明的是，管理云平台用于PID控制器参数的优化和张力修正模型的更新，PID控制器运行于张力控制模块，张力修正模型运行于控制单元，此种将参数优化和模型更新过程与实际运行分离的方式，一方面利用后端管理云平台收集的大量数据，可充分训练和测试参数优化模型和张力修正模型，提高模型的准确性和鲁棒性；另一方面由于参数优化以及模型更新的过程需要大量的样本数据和计算时间，并且不断地调整权重，导致系统响应缓慢以及系统不稳定。通过后端管理云平台进行阶段性的参数优化和模型更新可以合理利用设备资源、减轻网络负担，同时降低了PID控制器的系统响应时长，避免发生震荡。

本发明控制单元的控制策略为：

通过参数修整模块扫描采集的印刷材料的基本属性与显示模块输入的工作参数进行核验，确保工作参数与实际印刷材料一致；通过检测采集的数据进一步修正印刷材料的基本属性；

根据修正后的基本属性通过张力修正模型修正工作参数中的张力值，再通过修正后的张力值从参数库中匹配印刷过程中张力控制模块实际采用的控制参数；

将控制参数输入张力控制模块，使得张力控制系统正常运行，在运行过程中通过扰动监测模块在线监测印刷机的整体运行状态和外部扰动信息，在监测到外部扰动信息时，重新修正张力值并匹配控制参数；

在预测到故障信号时，启动打印机稳定停机，防止印刷机故障紧急停车造成张力控制失效损坏印刷材料。

其中，外部扰动信息具体为由温湿度等因素变化引起材料的摩擦和拉伸变形以及材料基本属性的影响等。

需说明的是，实际运行的参数可与输入的工作参数做对比，误差较大需要检查误差原因，避免设备异常引起突发停机；同时收集的数据可为后期系统的调整和改进提供依据。

本发明通过核验工作参数与实际印刷材料一致性和扰动监测模块对故障信号的预测避免了印刷机故障紧急停车造成张力控制失效，从而对印刷材料的损坏。张力控制模块通过采用PID控制器完成张力的闭环控制，提高了张力控制的响应度以及精准度，提高生产效率和印刷质量。张力控制模块的反馈参数经过控制单元依据张力传感器的响应特性进行时间补偿，进一步提升张力控制系统的控制精度和响应速度。

通过检测采集的数据进一步修正印刷材料的基本属性，保证了张力值修正的准确性，进而准确地匹配到张力控制模块实际采用的控制参数，为张力控制模块完成张力闭环控制提供更合适的PID控制器参数，最大程度地提高系统的响应速度、稳态精度和鲁棒性。

通过控制单元运行的控制策略，根据扰动监测模块在线监测外部扰动信息时，重新修正张力值并匹配控制参数，通过动态调整张力值从而匹配PID控制器的参数逼近控制规则，实现对PID控制器的参数在线自适应整定，提高张力控制系统的适应性，实现对张力的最佳控制。

通过管理云平台不断更新的参数库和张力修正模型，为张力修正和控制参数的匹配提供了更加准确的模型和完善的控制参数，使得张力的设定以及控制参数不仅仅来源于经验值，经过修正的预设值更加拟合实际的应用设备。通过管理云平台与控制单元的分工处理的运行方式，在保证系统响应度和稳定性的同时，易于张力控制系统的扩展和管理。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种数码印刷机张力控制系统，其特征在于：包括控制单元、张力监测模块、显示模块、扰动监测模块、张力控制模块、参数修整模块、通信模块和管理云平台；所述张力监测模块、显示模块、扰动监测模块、张力控制模块、参数修整模块和通信模块均与控制单元建立电连接，所述管理云平台与通信模块无线连接；

所述控制单元，用于接收来自张力监测模块、显示模块、扰动监测模块、参数修整模块和通信模块的信号，并根据采集和设定的控制参数以及控制策略，调节直流无刷电机的转速来实现对印刷材料的张力控制；

所述管理云平台，用于PID控制器的参数的优化及控制策略中调用的张力修正模型的更新；

所述控制单元的控制策略为：

通过参数修整模块扫描采集的印刷材料的材料类型、宽度、厚度和弹性模量与显示模块输入的工作参数进行核验修正，使得工作参数中的材料类型、宽度、厚度和弹性模量与实际印刷材料的材料类型、宽度、厚度和弹性模量保持一致；通过检测采集的数据进一步修正印刷材料的厚度、宽度和弹性模量；

根据修正后的印刷材料的材料类型、宽度、厚度和弹性模量通过张力修正模型修正工作参数中的张力值，再通过修正后的张力值从参数修整模块中匹配印刷过程中张力控制模块实际采用的控制参数；

将控制参数输入张力控制模块，使得张力控制系统正常运行，在运行过程中通过扰动监测模块在线监测印刷机的整体运行状态和外部扰动信息；在监测到外部扰动信息时，重新修正张力值并匹配控制参数；在预测到故障信号时，启动打印机稳定停机。

2.根据权利要求1所述的一种数码印刷机张力控制系统，其特征在于：所述张力监测模块，通过设置于印刷张力区的若干张力传感器来测量印刷张力区印刷材料实际的张力大小，并将其转换为电信号输出至控制单元；所述显示模块，用于提供给操作员可视化界面，进行设备运行状态的监控、工作参数设置和故障诊断。

3.根据权利要求2所述的一种数码印刷机张力控制系统，其特征在于：所述工作参数还包括张力控制系统的控制参数；

其中，张力控制系统的控制参数包括张力值、电机转速和PID控制器的参数。

4.根据权利要求1所述的一种数码印刷机张力控制系统，其特征在于：所述扰动监测模块，包括若干温湿度传感器、转速传感器、加速度传感器和位置传感器，用于监测印刷机的整体运行状态和外部扰动信息，并将其转化为电信号输出至控制单元。

5.根据权利要求2所述的一种数码印刷机张力控制系统，其特征在于：所述张力控制模块，包括PID控制器、直流无刷电机驱动器和直流无刷电机，结合来自控制单元的运行参数和反馈参数通过调节直流无刷电机的转速来实现对印刷材料张力的闭环控制。

6.根据权利要求5所述的一种数码印刷机张力控制系统，其特征在于：所述运行参数包括经过控制单元修正后的张力值和PID控制器的参数；其中PID控制器的参数包括比例系数、积分系数和微分系数；

所述反馈参数具体为经过控制单元依据张力传感器的响应特性进行时间补偿后的实时张力信号。

7.根据权利要求1所述的一种数码印刷机张力控制系统，其特征在于：所述参数修整模块，包括参数库、扫描传感器和检测传感器；

所述参数库用于存储各种类型印刷材料对应的工作参数；

所述扫描传感器用于识别每个印刷材料卷轴上的标签或二维码获取印刷材料的材料类型、宽度、厚度和弹性模量；

所述检测传感器包括对印刷材料厚度、宽度、湿度和弹性模量进行检测的传感器。

8.根据权利要求1所述的一种数码印刷机张力控制系统，其特征在于：所述通信模块，通过连接管理云平台实现源数据的上传以及接收更新后的PID控制器参数和控制策略中调用的张力修正模型；

其中源数据包括预设张力值、张力测量值、误差信号、时间间隔和PID控制器的输出，以及对应的PID控制器的参数。

9.根据权利要求4所述的一种数码印刷机张力控制系统，其特征在于：所述外部扰动信息具体为由温湿度变化引起材料弹性模量的变化。