基于增量式雙模Fuzzy控制的彩色自動套印系統

張彥航，蘇小紅，侯俊英，馬培軍，孫海濤

(1.哈爾濱工業大學計算機科學與技術學院，哈爾濱150001;2.吉林大學通信工程學院，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移到塑膜上的一種工藝技術，廣泛應用于日用化工、食品包裝、商標、裝潢及醫療等行業［1］。為提高套印精度，國內外的研究人員在硬件設計、算法實現上開展了大量的相關工作［2］。例如硬件設計方面使用數字信號處理器(DSP)［3］、采用單片機與PC機及可視化監視系統［4-6］。在算法方面，除了常規的PID控制，還包括一些較復雜的控制算法如基于專家系統和模糊神經網絡相結合的滑模控制［7］、采用自抗擾控制器［8］等。

彩印系統具有高轉速、變采樣周期的特點，若選擇很復雜的控制算法，則實時控制存在較大困難。此外，在硬件設計方面還應考慮盡量降低設備成本。因此，在兼顧實時性和低成本的基礎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機和多片8253計數器等芯片組成硬件電路，解決了用硬件方法自動產生門信號的問題。

2 套印誤差的檢測方式

套印誤差的檢測是凹印機自動套色系統中最為關鍵的部分，它直接關系到套色的精度，為準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作為套印基準，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而造成以后各版的套印累計誤差。本系統采用單光電掃描頭進行檢測，將第一版色標作為套印基準，如圖2所示，其優點是避免了常規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 自動套印系統硬件電路設計

在綜合考慮實時性和低成本的前提下，自動套印系統硬件原理框圖如圖3所示。準確的門信號S是系統正確檢測套印誤差的依據，必須能將在印各版的色標信號TT1～TT5囊括其中。為確保可靠，本系統門信號S由8253及異或門74LS266產生，用硬件方式實現自動尋址。

以6色套印為例，首先將第二版光電信號TT2送入一片CD4017，經過或門電路及D觸發器的變換送入另一片8253中，進而檢測出脈沖編碼器輸出的PGZ信號相對于第一版色標信號的位置，記為C1。由C1可以確定軟件產生的P-PGZ信號相對于第一版色標信號的位置，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信號。通過門信號S及相關電路的過濾性作用，剔除干擾脈沖，只留下第一版色標信號及本工位色標信號送入8253中，經PC機查詢、計算，確定出誤差量。再運用控制算法計算出補償量，經I/O電路驅動固態繼電器，控制補償電機的通、斷時間，實現誤差補償。系統工作過程中，可以通過示波器實時監測各路光電信號及門信號S是否準確。

圖3 自動套印系統硬件電路原理圖

4 增量式雙模Fuzzy控制器設計

生產過程中，運動平衡不良、張力波動及印料熱變形等原因均會產生套印誤差，這種偏差量的變化具有隨機性和連續性，若不及時發現并加以修正，將會嚴重影響印刷質量。由于彩印系統的機械傳動系統十分復雜，所以控制算法不能基于建模，同時還要具有較強的魯棒性和實時性，能適應參數的變化。為此，本系統控制算法采用增量式雙模模糊控制，在大偏差范圍內采用基本模糊控制器，在小偏差范圍內采用具有積分作用的增量型模糊控制器，使系統的動態響應快、穩態誤差小、控制精度高。控制算法:

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，可根據被控過程的實際特性，通過現場調整加以確定。本系統中Ew=0.3mm。當|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。主要設計思想是在大偏差時，控制器的實質就是一個基本模糊控制器，可取得動態響應快、阻尼特性好的控制效果，但其穩態特性不夠理想，常常在平衡點鄰域小范圍內出現震蕩現象。而增量式控制模態可以彌補這個缺陷。因為增量式控制模態的輸出V(n)不僅與現時刻的偏差量有關，還和前一時刻的V(n-1)有關，相當于在基本Fuzzy控制器的輸出端串聯一級用以改善小信號特性的積分器，從而達到抑制平衡點鄰域小范圍內震蕩現象的目的。由于它本身仍然是模糊控制，所以在具有PID控制積分器的基礎上，還具有模糊控制的快速性、強魯棒性，同時克服了PID控制器參數難以整定的缺陷。

4.1 論域選擇

自動套印的前提是人工調節套印誤差在規定范圍之內，所以誤差E的論域范圍如果選取過大，不利于精細調整。本系統中誤差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，過大容易使系統產生超調，降低控制品質;過小，則會增加系統過渡過程的時間。根據實際生產情況，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最大可調整套印誤差為2mm。

4.2 彩印系統的模糊控制規則

模糊控制規則的基本思想是:誤差較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主;誤差較小時，選擇控制量以系統的穩定性為主要出發點，防止系統產生超調。自動套印系統在生產過程中可能出現的各種情況及相應的控制策略匯總于表1中。隸屬度函數為高斯型，采用重心法進行清晰化操作。

控制算法計算出補償量后通過I/O電路送出，使固態繼電器驅動補償電機，通過控制電機正、反轉時間進行超前或滯后補償。經實際測定，用于本系統的電機每接通10ms，可以調節0.01mm的套印誤差。為準確輸出補償量設計了10mm延時子程序，通過調用延時子程序實現套印誤差的精確補償，從而消除套印誤差。

表1 彩色自動套印系統模糊控制規則表

5 實驗結果及分析

本系統的測試條件:采用版輥周長740mm的FGL-6凹版印刷機，印刷產品為掛歷封面，印刷顏色為五色(因白色不需對版，只測量三組間的誤差)。

從生產線上取下一段十余米長的印刷薄膜，裁下上面有色標線以及十字線的窄條，隨機選取5個樣品，肉眼觀察所有十字線都重合印在一起。在20倍光學顯微鏡下測量其對版誤差，實際數據分別列于表2及表3中。依據GB7707-87關于彩色印刷質量控制標準，對高檔彩色印刷，主要部分對版極限誤差應小于0.3mm，而實測數據最大為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。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可以更快地對誤差做出反應。當印刷速度較低時，失控時間長，不確定性因素增多。表中數據同時表明后一版的對版誤差也要小于前一色的對版誤差，這是因為當前一色進行調整后，后一版再進行調整，精度自然提高。常規Fuzzy控制器動態響應快、超調小、對參數變化不敏感，但由于它只相當于非線性PD控制器，所以系統靜態特性難以令人滿意。PID控制器針對某一對象經過調整可以獲得比較滿意的控制效果，但對參數變化很敏感，而且響應時間較模糊控制器長;增量式雙模Fuzzy控制器取長補短，既具有常規模糊控制器動態響應速度快、與模型無關的特點，又具有一定的積分作用，魯棒性強，可以顯著提高凹版印刷機的套印精度，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 結束語

在綜合考慮彩色印刷自動套印系統設計的實時性和低成本的前提下，以PC機為主控核心，提出各版都以第一版色標為基準的新檢測方法，采用基于增量式雙模Fuzzy控制算法，解決了高轉速、變采樣周期下彩印系統的實時控制，同時解決了用硬件方法自動產生門信號的問題。實驗表明，該控制算法比常規控制方法具有系統動態響應快、穩態誤差小、控制精度高的特點。

［1］ 陳德榮.印刷品質量的檢測與控制［M］.浙江:科學技術出版社，1994.

［2］ 趙慶海，楊志偉.凹印機軸向和周向自動套準控制系統［J］.包裝工程，2010，31(5):86-88.

［3］ 鄧忠華，劉建橋，葉小萌，等.套色印刷系統中基于DSP的恒張力控制的研究［J］.電氣傳動，2006，36(6):44-57.

［4］ 桂銳鋒，陸寧，周偉.嵌入式瘦服務器的實現及在套色系統中的應用［J］.微機發展，2005，15(5):128-130.

［5］ 蔣恩松，孫劉主，張柯.圖像匹配技術在套印誤差自動檢測中的應用［J］.自動化測試，2008，16(6):757-759.

［6］ N G Shankar，N Ravi，Z W Zhong.On-Line Defect Detection in Web Offset Printing，The fourth international conference on automation(ICCA’03)［C］.Montreal:2003:794-798.

［7］ 張昌凡，王耀南.基于智能協調控制的滑模系統［J］.電子測量與儀器學報，2000，14(3):1-3.

［8］ 邱兆軍，肖維榮.自抗擾控制器在無主軸凹印機套色控制的應用［J］.自動化儀表，2007，28(8):39-41.