DE19740153C2 - Verfahren zur Regelung eines Antriebes innerhalb einer Druckmaschine und Antrieb für eine Druckmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Antrieb nach den Oberbegriffen des Patentanspruchs 1 bzw. 2 und 3, wie aus DE 43 22 744 A1 bekannt.

Druckmaschinen werden im einfachsten Fall durch einen einzigen, eine mechanische Längswelle antreibenden Motor angetrieben. Bei fortgeschrittenen Konzepten wird die Längswelle aufgebrochen, und die entstehenden Teile werden durch einzelne, winkelgeregelte, als winkelsynchron arbeitende Motoren angetrieben. Die weitere Entwicklung besteht in dem Antrieb der Druckeinheiten oder sogar von Druckwerksteilen, wie Form- oder Übertragungszylindern, durch einzelne zugeordnete winkelgeregelte Motoren.

Beispielsweise ist aus dem Aufsatz "Direktantriebstechnik" von F. R. Götz (Antriebstechnik 33 (1994) Nr. 4, Seiten 48 bis 53) bereits eine Rollen- Offsetdruckmaschine mit direkt angetriebenen Zylindern bekannt.

Die bei einer Druckmaschine mit einem Motor oder durch einzelne Elektromotoren angetriebenen Druckmaschinenteile, d. h. z. B. ein Druckwerk, wenn es durch einen einzigen Elektromotor angetrieben wird, ein durch einen einzigen Elektromotor angetriebenes Zylinder- oder Walzen-Paar oder eine durch einen einzigen Elektromotor angetriebene Gruppe von Walzen oder Zylindern, z. B. in einem Druckwerk, im Kühlwerk, im Falzaufbau, im Falzapparat etc., stellen Vielmassen-Systeme dar, deren Einzelmassen durch Getriebe formschlüssig - aber elastisch - oder durch entsprechende Anpreßkräfte kraftschlüssig infolge von Reibkräften miteinander verbunden sind. Beispielsweise ist die Elastizität der miteinander kämmenden Zahnräder zu berücksichtigen. Die Zähne der Zahnräder wirken jeweils elastisch aufeinander. Auch die Lager der Walzen und Zylinder reagieren elastisch. Dies führt dazu, daß jedes Teilsystem mehrere Resonanzfrequenzen aufweist, wobei sich der Bereich von ca. 1 Hz bis ca. 100 Hz erstreckt. Sofern nur einzelne Zylinder, wie z. B. die Gummizylinder oder die Plattenzylinder durch einzelne, ihnen jeweils zugeordnete geregelte Elektromotoren angetrieben werden, liegen die Resonanzfrequenzen bei höheren Werten, d. h. sie liegen im Bereich von ca. 100 Hz bis 500 Hz.

Besonders problematisch sind periodisch auftretende Störungen, wie z. B. die Schläge einer Heberwalze im Farbwerk, die eine Pendelbewegung zwischen einem Farbduktor und einer Farbübertragwalze ausführt. Ebenso entstehen periodische Störungen durch das Schneiden einer Bedruckstoffbahn in Querrichtung oder durch die Bewegung des Falzmessers in einem Schwertfalzwerk, das einen dritten Falz erzeugt, sowie durch den von den Spannkanälen in den Form- und Übertragzylindern hervorgerufenen Kanalschlag, Unrundheiten der Papierrolle und Transportwalzenunrundheiten.

Mit einer Einprägung der Winkelgeschwindigkeiten und Winkel der Motorwellen ist jedoch die Bewegung der Lastmassen noch nicht eingeprägt, da diese, wie oben beschrieben, an die Motorwellen elastisch angekuppelt sind. Ebensowenig ist auch eine mechanische Längswelle als starr anzusehen. Wie bekannt, treten u. U. parametererregte Schwingungen auf, die zu Druckfehlern, z. B. Dublieren, führen können. Eine unmittelbare Beeinflussung der Lastmassenbewegung ist bei der mechanischen Längswelle nicht möglich. Die elektronische Welle ermöglicht im Gegensatz dazu eine Beeinflussung der Lastmassenbewegung in der Weise, daß die Druckfehler verursachenden Eigenbewegungen reduziert werden.

Aus der oberbegriffsbildenden DE 43 22 744 A1 ist bereits ein Druckmaschinen-Antriebsregler bekannt, der für ein Antriebssystem mit zwei über Reibschlupf verkoppelte, lagegeregelte Zylinderachsen gestaltet ist und mit Störgrößenaufschaltung arbeitet.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Regelung eines Antriebsmotors und einen Antrieb für eine Antriebseinheit innerhalb einer Druckmaschine derart zu gestalten, daß innewohnende periodische und nicht periodische Störungen zur Verbesserung der Druckqualität mit Hilfe der Reglerstruktur möglichst kompensiert werden.

Diese Aufgabe wird, wie in den Patentansprüchen 1 bis 3 angegeben, gelöst.

Aus dem Schrifttum, z. B. dem Fachbuch "Abtastregelung" von J. Ackermann (3. Auflage, Springer Verlag), 1988, Seite 203 ff ist bereits bekannt, wie ein Beobachter zu realisieren ist.

Der periodische Regleranteil ist gekennzeichnet durch einen Anteil 1/(zⁿ - 1) in der Reglerübertragungsfunktion und wird durch die als bekannt vorauszusetzende Periodendauer einer Störung bestimmt (Tomizuka, Masayoshi, Hu, Jwusheng: Adaptive Asymptotic Tracking of Repetitive Signals - A Frequency Domain Approach. IEEE Transactions on Automatic Control, Oktober 1993, Vol. 38, Nr. 10, Seiten 1572-1579).

Die Regelung der Antriebe nimmt auf Resonanzstellen, wie auf Störgrößen Rücksicht.

Nachstehend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Rollen-Offsetdruckmaschine mit Einzelantrieben und

Fig. 2: einen Strukturplan eines Regelkreises für einen Elektromotor.

Eine Druckmaschine, d. h. eine Bogen- oder eine Rollen-Druckmaschine 1 (Fig. 1), weist eine Mehrzahl von jeweils durch einen Elektromotor 2 bis 10 angetriebenen Teilsystemen auf. Die Elektromotoren sind beispielsweise Dreiphasen-Asynchron-motoren. Die Teilsysteme sind ein Rollenwechsler 11, ein Einzugswerk 12, Druckwerke 13 bis 16, ein Kühlwerk 17, ein Falzaufbau 18 und ein Falzapparat 19. Zusätzlich ist noch ein Trockner 20 vorhanden. Die Druckwerke 13 bis 16 weisen jeweils zwei Formzylinder 21 und zwei Übertragungszylinder 22 auf. Die Formzylinder 21 und die Übertragungszylinder 22 sind jeweils über Zahnräder untereinander und mit den Antriebsmotoren 4 bis 7 verbunden. Die Druckmaschine 1 wird von einem zentralen Leitstand 23 aus gesteuert. Dieser enthält auch die übergeordnete Steuerung für die Elektromotoren 2 bis 10, während deren spezifischen Leistungs- und signalelektronischen Baugruppen in der Nähe oder unmittelbar an der Druckmaschine untergebracht sind. Alternativ zu den hier dargestellten Teilsystemen können aber auch einzelne, jeweils durch einen eigenen Elektromotor angetriebene Zylinder oder Walzen ein Teilsystem bilden; ebenso können Gruppen von Zylindern oder Walzen, beispielsweise Form- und Übertragzylinderpaare oder mehrere Walzen in einem Farbwerk, ein derartiges Teilsystem bilden.

Vom Leitstand 23 (Fig. 2) wird die Soll-Winkelgeschwindigkeit ω_Soll vorgegeben. In einem Integrierglied 24 wird aus der Soll-Winkelgeschwindigkeit ω_Soll der Soll- Drehwinkel ϕ_Soll gewonnen, der allen Elektromotoren 2 bis 10 an dem jeweiligen Summierpunkt 25 zugeführt wird. Dort wird die Differenz aus dem Ist-Drehwinkel ϕ_Ist und dem Soll-Drehwinkel ϕ_Soll gebildet und einem Winkelregler 26 zugeführt, der beispielsweise ein P-Regler ist. Der Winkelregler 26 erzeugt eine Soll- Winkelgeschwindigkeit ω_1Soll. Zu dem Winkelregler 26 wird vorteilhaft ein Differenzierglied 27 parallel geschaltet, dem ebenfalls der Soll-Drehwinkel ϕ_Soll zugeführt wird und das eine Vorsteuerung der Soll-Winkelgeschwindigkeit ω_Soll bewirkt. Das Differenzierglied 27 erzeugt eine Soll-Winkelgeschwindigkeit ω_2Soll, die ebenso wie die Soll-Winkelgeschwindigkeit ω_1Soll einem Summierpunkt 28 zugeführt wird. Durch das Differenzierglied 27 wird der Schleppfehler, d. h. die Abweichung zwischen dem Soll-Drehwinkel ϕ_Soll und dem Ist-Drehwinkel ϕ_Ist vermindert und der Winkelregler 26 entlastet.

Zusätzlich zu den Soll-Winkelgeschwindigkeiten ω_1Soll und ω_2Soll wird dem Summierpunkt 28 auch die z. B. gefilterte Ist-Winkelgeschwindigkeit ω_Ist zugeführt, die von den Soll-Winkelgeschwindigkeiten ω_1Soll und ω_2Soll subtrahiert wird. Die daraus entstehende Differenzwinkelgeschwindigkeit ω_D wird beispielsweise einem PI-Drehzahlregler 29, d. h. einem proportionalen und integrierenden Regler, zugeführt, der ein Soll-Motordrehmoment M_1Soll aus der Differenz- Winkelgeschwindigkeit ω_D, bildet. Dieser Wert wird einem Summierpunkt 30 zugeführt, an dem ein von einem Beobachter 31, beispielsweise einem Teilsystem-Beobachter, erzeugtes beobachtetes Lastmoment _Last aufsummiert wird. Das an dem Summierpunkt 30 daraus entstehende Soll-Motordrehmoment M_Soll ist die Eingangsgröße für ein Stellglied 32, das das Drehmoment M_Welle erzeugt, das an der Motorwelle des Elektromotors zur Verfügung steht. Das Stellglied 32 enthält einen Stromrichter in einem Regelungskonzept, das die dynamischen, meist nichtlinearen Eigenschaften des Elektromotors berücksichtigt, sowie weitere an sich bekannte Bestandteile.

An einem Summierpunkt 33 wird von dem Drehmoment M_Welle das Last- Drehmoment M_Last der von dem jeweiligen Elektromotor, d. h. einem der Elektromotoren 2 bis 10, angetriebenen Zylinder und/oder Walzen subtrahiert. Der Differenzwert M_B des Summierpunktes 33 ist das Beschleunigungsmoment, das an der rotatorischen Trägheit des Motors, welches durch einen Integrator 34 wiedergegeben wird, angreift. Dessen Ausgangsgröße, die Ist- Winkelgeschwindigkeit ω_Ist, wird durch Integration in einem Integrator 35 zum Ist- Drehwinkel ϕ_Ist integriert.

Die Ist-Winkelgeschwindigkeit ω_Ist wird sowohl dem Summierpunkt 28 als auch dem Beobachter 31 zugeführt. Der Beobachter 31 dient zur Kompensation des Last-Drehmoments M_Last. Um die Auswirkung von Störungen, seien sie periodisch oder nichtperiodisch, zu minimieren, wird von der Überlegung ausgegangen, daß das auf den Elektromotor rückwirkende Last-Drehmoment M_Last durch eine entgegengesetzte gleich große Aufschaltung eines "beobachteten" Last- Drehmoments _Last am Eingang des Stellgliedes 32 möglichst gut kompensiert werden soll. Eine ideale Kompensation hätte die Wirkung, daß die Motorwinkelgeschwindigkeit und der Motor Drehwinkel ϕ_Ist eingeprägte, von der angekuppelten Last der Zylinder und Walzen, die das Last-Drehmoment M_Last verursachen, vollkommen unabhängige Größen wären. Die Elektromotoren 2 bis 18 würden sich - wenn sonst keine Störung mehr wirkt - im Verband wie eine starre mechanische Welle verhalten (elektronische Welle). Damit wäre der so idealisierte elektrische Antrieb für die Teilsysteme 11 bis 19 der Druckmaschine 1 in seiner Wirkung derselbe wie die idealisiert angenommene mechanische Längswelle.

Der Beobachter 31 ist dadurch definiert, daß er ein Abbild entweder eines Teils des Gesamtsystems ist (Teilsystembeobachter), hier also eines der Elektromotoren 2 bis 10 einschließlich seines Stellgliedes 32, oder ein Abbild des Gesamtsystem aus Motor und elastisch angekuppelter Last (Gesamtsystembeobachter). Für den Fall einer gegenüber der Abtastzeit des Beobachters 31, d. h. den Zeitpunkten, zu denen dem Beobachter 31 die Ist- Winkelgeschwindigkeit ω_Ist und das Soll-Drehmoment M_soll zugeführt werden, kleinen Ersatzzeitkonstante des Stellgliedes 32 kann dessen Nachbildung, d. h. Block 32, im Beobachter entfallen. Dies führt zum vereinfachten Teilsystem- Beobachter. Damit der durch Störungen verursachte Rekonstruktionsfehler der Größe _Last im eingeschwungenen Zustand zu Null wird, erhält der Teilsystem- Beobachter 31 ein Störmodell. Bei unbekannten nichtperiodischen Störungen wird ein Integrator vorgesehen, bei periodischen Störungen ein Schwinger zweiter Ordnung. Aus Gründen der Rechnerkapazität wird vorzugsweise ein Störmodell erster Ordnung realisiert.

Der Beobachter 31 berechnet aus dem Momentensollwert M_Soll (ersatzweise aus dem Stromsollwert I_soll), und entweder aus der Ist-Winkelgeschwindigkeit ω_Ist, wie in Fig. 2 dargestellt, oder aus dem Ist-Drehwinkel ϕ_Ist das Last-Drehmoment _Last, das er dem Summierpunkt 30 zuführt, an dem es zu dem Soll-Drehmoment M_1Soll addiert wird und das Soll-Drehmoment M_Soll ergibt. Der Beobachter kann außerdem dazu verwendet werden, aus dem Drehwinkel ϕ_ist die Ist- Winkelgeschwindigkeit ω_ist in Form des Signals _ist zu ermitteln und der Regelung zuzuführen. Im Gegensatz zur Berechnung von ω_ist aus ϕ_ist mit Hilfe einer numerischen Differentiation, die im Mittel um eine halbe Abtastzeit verzögert ist, wird ω_ist verzögerungsfrei rekonstruiert.

Weiterhin kann der Beobachter mit einem Datenspeicher ausgerüstet werden, in dem die Störgrößen, wie z. B. die Falzmesser und Falzklappenbewegung im Falzwerk 19 oder auch Kanal- und Heberrückwirkung in den Druckwerken 13-16, gespeichert sind. Die gespeicherten Daten werden laufend aktualisiert und damit an die jeweilige Geschwindigkeit der Druckmaschine 1 angepaßt. Aus der gespeicherten Information wird als Kompensationssignal das Last-Drehmoment _Last abgeleitet, das mit einer solchen Phasenlage auf dem Summierpunkt 30 des Stellgliedes aufgeschaltet wird, daß ein Minimum des Schleppfehlers, d. h. der Soll-Istwert-Differenz am Ausgang des Summenpunktes 25, erreicht wird. Die Phasenlage des Kompensationssignals wird unter Verwendung der Nullimpulse eines an dem jeweiligen Elektromotor 2 bis 10 angebrachten Winkel-Drehgebers, z. B. während des Hochfahrens der Druckmaschine 1, beispielsweise während der Einstellphase für die Farbdichte etc., voreingestellt und lernend automatisch an die jeweilige Maschinengeschwindigkeit adaptiert.

Da die beschriebenen Störungen, die zu den Druckfehlern führen können, nicht unmittelbar am Antriebsmotor, sondern an der elastisch angekuppelten Lastmasse angreifen, kann die Aufschaltung des beobachteten Moments _Last über ein differenzierendes Filter 40 erfolgen. Durch diese Maßnahme ist es möglich, dem an der Last angreifenden periodischen oder nicht periodischen Störmoment einen kompensierenden Anteil genügend schnell gegenzuschalten, wodurch eine Optimierung des Störverhaltens der Lastmasse möglich ist. Eine solche Maßnahme kann an einer elastischen mechanischen Längswelle in Ermangelung einer geeigneten Stellgröße nicht ausgeführt werden.

Um den durch das Differenzierfilter 40 erhöhten Rauschanteil des Ausgangssignals in einem bestimmten Frequenzbereich zu dämpfen, können die Tiefpaßfilter 41 und 42 an den Eingangsgrößen des Beobachters vorgesehen werden.

Ersatzweise kann auch das Differenzierfilter durch einen Glättungsanteil erweitert werden. Zusätzlich kann ein Proportionalglied 43 parallel geschaltet werden, mit dem, bei entsprechender Bemessung, die Resonanzstelle zwischen Motor und elastisch gekuppelter Last bedämpft werden kann.

Zur weiteren Verbesserung der Signale dienen Filter 36, 37 und 38 (z. B. Tiefpaß-, Kerb- und Differenzierfilter), die den Ist-Drehwinkel ϕ_Ist, die Ist-Winkelgeschwindig­ keit ω_Ist sowie das von dem PI-Drehzahlregler 29 erzeugte Soll-Drehmoment M_1Soll glätten. Durch diese Filter 36 bis 38 können Resonanzstellen bedämpft werden. Dadurch wird ein schwingungsarmer Antrieb zur Qualitätsverbesserung der mit der Druckmaschine 1 gedruckten Produkte und eine Erhöhung der Lebensdauer der mechanischen und elektrischen Komponenten in der Druckmaschine 1 erreicht.

Zusätzlich oder alternativ zu dem Beobachter 31 enthält der Regelkreis zur Regelung eines der Elektromotoren 2 bis 10 einen periodischen Kompensationsregler 39, der an seinem Ausgang einen Zusatzwert M_2Soll des Soll- Drehmoments liefert, der sich selbsttätig, ähnlich wie ein integraler Anteil eines Reglers, so einstellt, daß der Schleppfehler minimal wird. Dem Kompensationsregler 39 wird ebenso wie dem Drehzahlregler 29 die Differenz- Winkelgeschwindigkeit ω_D zugeführt. Hieraus gewinnt er Informationen über periodische Störungen, wie den Heberschlag der Heberwalze im Farbwerk, die Bewegung der Falzmesser und Falzklappen im Falzwerk 19, den Kanalschlag von Form- und Übertragzylindern 21, 22, etc. und berücksichtigt diese bei der Erzeugung des Soll-Drehmoments M_2Soll. Der Kompensationsregler 39 ist lernfähig und optimiert das Soll-Drehmoment M_2Soll derart, daß der Eingangswert des Kompensationsreglers 39, die Differenz-Winkelgeschwindigkeit ω_D möglichst geringe periodische Anteile aufweist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Regelung eines Antriebsmotors für eine Antriebseinheit innerhalb einer Druckmaschine (1) mit Vorgabe eines Sollwerts, Ermittlung eines Istwerts sowie einer Soll-/Istwertdifferenz bezüglich einer Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit einer Antriebswelle, auf die ein motorseitiges, vom Stromregler-Stellglied gestelltes Wellenmoment eingeleitet wird und die periodischen oder nicht periodischen Störungen eines maschinenseitigen Lastmoments rückwirken, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der periodischen oder nicht-periodischen Störungen einem dem Stellglied zugehenden Momentsollwert (M_Soll) ein Anteilmoment, das ein die Soll-, Istwertdifferenz (ω_D) verarbeitender periodischer Kompensationsregler als voraus gebildeten Momentsollwert (M_1Soll) und/oder ein Beobachter aus dem Momentsollwert (M_Soll) sowie dem Istwert der Winkelgeschwindigkeit (ω_Ist)/des Drehwinkels (ϕ_Ist) als beobachtetes Lastdrehmoment (M_Last) ermittelt, in einem Summierpunkt aufgeschaltet wird.

2. Antrieb innerhalb einer Druckmaschine für eine Antriebseinheit mit einem von mindestens einem Zylinder sowie mindestens einer Walze kommenden Lastmoment durch einen Antriebsmotor, der eine Antriebswelle aufweist und durch einen Regler einschließlich Stellglied mit jeweiligem Eingang und Ausgang ansteuerbar ist, wobei am Eingang des Reglers eine Soll-, Istwertdifferenz der Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit anliegt und vom Ausgang des Stellglieds ein Wellenmoment für die Antriebswelle, auf die das Lastmoment rückwirkt, resultiert, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Eingang des Stellglieds (32) ein Summierpunkt (30) mit Zuleitung eines dem Eingang des Stellgliedes (32) zugehenden Momentsollwertes (M_Soll) vorgesehen ist, dass ein aus der Soll- /Istwertdifferenz (ω_D) durch den Regler (29, 39) voraus gebildeter Momentsollwert (M_2Soll) besteht, dass ein Beobachter (31) aus dem an der Antriebswelle liegenden Drehzahl- bzw. Winkelistwert (ω_Ist, ϕ_Ist) verknüpft mit dem zugehenden Momentsollwert (M_Soll) ein beobachtetes Lastdrehmoment (M_Last) berechnet und dass der voraus gebildete Momentensollwert (M_1Soll) nebst dem beobachteten Lastdrehmoment (M_Last) am Summierpunkt (30) eingehen.

3. Antrieb innerhalb einer Druckmaschine für eine Antriebseinheit mit einem von mindestens einem Zylinder sowie mindestens einer Walze kommenden Lastmoment durch einen Antriebsmotor, der eine Antriebswelle aufweist und durch einen Regler einschließlich Stellglied mit jeweiligem Eingang und Ausgang ansteuerbar ist, wobei am Eingang des Reglers eine Soll-, Istwertdifferenz der Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit anliegt und vom Ausgang des Stellglieds ein Wellenmoment für die Antriebswelle, auf die das Lastmoment rückwirkt, resultiert, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Eingang des Stellglieds (32) ein Summierpunkt (30) mit Zuleitung eines dem Eingang des Stellgliedes (32) zugehenden Momentsollwertes (M_Soll) vorgesehen ist, dass ein aus der Soll- /Istwertdifferenz (ω_D) durch den Regler (29) voraus gebildeter Momentsollwert (M_1Soll) besteht, dass ein periodischer Kompensationsregler (39) ebenfalls aus der Soll-/Istwertdifferenz (ω_D) parallel zum Regler (29) angeordnet einen weiteren vorausgebildeten Momentsollwert (M_2Soll) liefert und dass die vorausgebildeten Momentensollwerte (M_1Soll, M_2Soll) am Summierpunkt (30) eingehen.

4. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler aus einem den voraus gebildeten Momentsollwert (M_1Soll) ermittelnden periodischen Kompensationsregler (39) und einem parallel geschalteten, den voraus gebildeten Momentsollwert (M_2Soll) ermittelnden PI-Drehzahlregler (29) besteht.

5. Antrieb nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastmoment (M_Last) vom Wellenmoment (M_Welle) subtrahiert und dass aus dem Differenzwert gleich dem Beschleunigungsmoment der Istwert der Winkelgeschwindigkeit (ω_Ist)/des Drehwinkels (ϕ_Ist) gewonnen wird.

6. Antrieb nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der an einem Leitstand (23) vorgegebene Sollwert der Winkelgeschwindigkeit (ω_Soll) mittels Integrierglied (24) in den Drehwinkel-Sollwert (ϕ_Soll), letzterer mittels Differenzialglied (27) sowie - verglichen mit dem Drehwinkel-Istwert (ϕ_Ist) - mittels parallel geschaltetem Winkelregler (26) in zwei in einem Summierpunkt (28) zusammengeführte Sollwinkelgeschwindigkeiten (ω_1Soll, ω_2Soll) umgerechnet wird, die minus Istwinkelgeschwindigkeit (ω_Ist) die in den Regler (29, 39) eingehende Soll-Istwertdifferenz (ω_D) ergeben.