（控制理论与控制工程专业论文）基于尢轴传动技术的凹版包装印刷机套印控制研究.pdf

at h e s i sf o rt h e d e g r e e o fm a s t e ri nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g r e s e a r c ho ng r a v u r e p a c k a g ep r i n t i n g sc h r o m a t o g r a p h y c o n t r o lb a s e do ns h a f t l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y b yy us h a n g p i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg a ox i a n w e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 m 8 俐3肌9册2m 4 8舢1肌y ， | 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名： - 3 南年 i 签字日期： 2 杪汐吕7 寥 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 l 7 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：孑南干 签字 日期：渺锣7 莎 一名萄现一 签字日期：州留7 莎 1 一 东北大学硕士学位论文摘要 基于无轴传动技术的凹版包装印刷机套印控制研究 摘要 本文以基于无轴传动技术的凹版包装印刷机的套印控制为课题，做高速无色差的无 轴套印系统的套印控制研究。深入分析了无轴凹版包装印刷技术特点和控制要求，并针 对这些分析对色差消除和同步协调控制等难题作了探索性的研究，创新性的引入偏差耦 合思想来构建系统控制策略，同时通过仿真验证取得了一定的效果。 无轴印刷机控制难度较大，其重要的原因是无轴印刷系统的研究是一个综合性的课 题，涉及多个方面的协调控制。由于无轴印刷系统不同与传统印刷，需要综合考虑同步 协调与色差消除，这就决定了其控制的复杂性。 详细分析无轴印刷特点和无轴套准方式之后，选用基于相对位置的套印调整方法， 并相应的将色差转化为位置轨迹作用与印辊。考虑到张力和纸张形变的影响，将检测到 的色差进行优化处理，并结合印刷系统特点和伺服电机的运行方式，采用比较成熟的三 角函数加减速曲线对得到的色差模型进行轨迹规划，得到平滑的位置、速度，加速度曲 线，避免了系统在套准过程中产生较大的冲击和震荡。 同步协调控制方面，针对无轴凹版印刷系统中各个轴之间互相制约、相互影响、耦 合性的特点，引入耦合同步控制方法中偏差耦合同步控制的思想，创新性地采用多级色 差耦合的偏差给定方式，并与色差消除策略相结合作为系统控制策略，提升了同步效率， 并增强了系统对电气和色差扰动的抑制能力。在色差消除方面，根据控制需要选用跟踪 性能较好的b a c k s t e p p i n g 控制方法和直接自适应模糊控制方法，与偏差耦合思想相结合， 形成基于偏差耦合思想的b a c k s t e p p i n g 控制策略和直接自适应模糊控制策略对系统进行 控制。通过仿真证明，所提策略不但能够实现多色套印系统的全局同步，而且能够有效 地抑制系统参数变化和色差扰动等因素对系统性能的影响，使同步系统具有一定的鲁棒 性，实现了色差调节与位置同步综合协调控制的设计目的。 关键词：无轴传动；套印控制；同步协调；色差处理；偏差耦合；b a c k s t e p p i n g ；直接 自适应模糊；轨迹规划 一i i 一 鱼，0噜 l _ jj 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ng r a v u r ep a c k a g ep r i n t i n g sc h r o m a t o g r a p h y c o n t r o lb a s e do ns h a f t l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y a bs t r a c t i nt h ep a p e r , t h es u b j e c to fr e s e a r c ho ng r a v u r ep a c k a g ep r i n t i n g sc h r o m a t o g r a p h y c o n t r o lb a s e do ns h a f t l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi ss e l e c t e da st h et h e s i s ，w h i c h r e s e a r c h e si ns h a f i l e s ss y s t e m si s o c h r o n o u sa n dc o o r d i n a t i o nc o n t r o lw i t hh i g hs p e e d t h e p a p e ra n a l y s e sp r o f o u n d l yi nt h ef e a t h e ro fs h a f i l e s sg r a v u r ep a c k a g ep r i n t i n g a c c o r d i n gt o t h es y s t e m sc h a r a c t e r s ，t h ep a p e rm a k e se x p l o r a t o r ys t u d yi na b e r r a t i o ne l i m i n a t i o na n d s y n c h r o n i z a t i o nc o o r d i n a t i o n ，a n dp u t sf o r w a r di n n o v a t i v e l yan e wc o n t r o lm e t h o db a s e do n t h et h o u g h to fd e v i a t i o n c o u p l e dc o n t r o l ；m e a n w h i l ep a p e rg e t sg o o dr e s u l t sa c c o r d i n gt o s i m u l a t i o n d e s i g no fs h a f t e l s sc h r o m a t o g r a p h ys y s t e mi sac o m p l e xt o p i c ；t h em a i n r e a s o ni st h a t t h er e s e a r c ho ns h a f i l e s sp r i n t i n gs y s t e mi sac o m p r e h e n s i v et o p i c ，w h i c hi sc o r c e r nw i t h s o m ea s p e c t s c o o r d i n a t i o n a ss h a f t e l s sp r i n t i n gs y s t e mi sd i f f e r e n tw i t ht r a d i t i o n a ls y s t e m ， w h i c hs h o u l dc o o r d i n a t ea b e r r a t i o ne l i m i n a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o nc o o r d i n a t i o nc o n t r o l ，s o i ti sac o m p l e xt o p i c t h ep a p e rc h o o s e san e wr e g i s t e r i n gp r o c e s s i n gm e t h o db a s e do np o s i t i o n i n gm o d ew i t h a n a l y s i si nf e a t u r e so fs h a f t l e s sp r i n t i n gs y s t e ma n dr e g i s t e r i n gc o n t r o l ，a n di tt r a n s f o r m st h e a b e r r a t i o ni n t op o s i t i o nt r a c ka d d i n gt ot h ea x e s t a k i n gi n t oa c c o u n to ft h et e n s i o na n d p r i n t i n gm a t e r i a l sc h a n g eo nt h ei m p a c to fa b e r r a t i o n ，t h ep a p e rm a k e st h ed e t e c t i n g a b e r r a t i o no p t i m u mm o d e l a c c o r d i n gt ot h ef e a t h e ro fp r i n t i n gs y s t e ma n dt h es e r v om o t o r s o p e r a t i o n ，t h ep a p e rm a k e su s eo ft r i g o n o m e t r i cf u n c t i o na c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc u r v e t om a k i n gt h ed e t e c t i n ga b e r r a t i o ni n t ot r a c k ，t h e nt h es y s t e mg e t st h es m o o t hp o s i t i o n ，s p e e d a n da c c e l e r a t i o nc u r v e ，a v o i d i n gt h ea f f e c to fc o l l i s i o nt ot h es y s t e mi nt h ec a l i b r a t i o np r o c e s s a sf o rs y s t e mo fs y n c h r o n i z a t i o na n dc o o r d i n a t i o nc o n t r o l ，a c c o r d i n gt ot h ef e a t h e ro fa l l a x e s m u t u a lc o n s t r a i n t sa n di n t e r a c t i o na n ds t r o n gc o u p l i n g ，t h ep a p e ri n t r o d u c t st h et h o u g h t o fd e v i a t i o n c o u p l e dc o n t r o li nc o u p l e ds y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lm e t h o d s ，a n da p p r o a c h e s i n n o v a t i v e l ym u l t i g r a d ec o u p l i n ga b e r r a t i o n a sa b e r r a t i o ng i v e n a n dt h e n ，t h ep a p e r c o m b i n a t e st h eg i v e na n da b e r r a t i o ne l i m i n a t i o ns t r a t e g ya st h es y s t e m ss t r a t e g y , w h i c h e n h a n c e st h e e f f i c i e n c yo fs y n c h r o n i z a t i o na n ds t r e n g t h e n st h ea b i l i t y o fi n h i b i t i o nt o e l e c t r i c a ld i s t u r b a n c e sa n da b e r r a t i o nc h a n g e s i nt h ea s p e c to fa b e r r a t i o np r o c e s s i n g ，t h e p a p e ru s e st h ec o n t r o lm e t h o d sh a v i n gg o o dp e r f o r m a n c eo ft r a c k i n gc o n t r o l b a c k s t e p p i n g c o n t r o la n dd i r e c t i v e a d a p t i v e f u z z yc o n t r o l ，t h e n c o m b i n e st h e mt ot h e t h o u g h to f - i i i - l，iio、i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d e v i a t i o n c o u p l e dc o n t r 0 1 i tf o r m a t st h es t r a t e g yt h a ti sb a c k s t e p p i n gc o n t r o la n dd i r e c t i v e a d a p t i v e f u z z yc o n t r o lb a s e do nt h et h et h o u g h to fd e v i a t i o n - c o u p l e dc o n t r 0 1 t h r o u g h s i m u l a t i o np r o v i n g ，i tc a nn o to n l yr e a l i z et h eg l o b a ls y n c h r o n i z a t i o nb u ta l s oi n h i b i t st h e d i s t u r b a n c eo fl o a da n dp a r a m e t e r sc h a n g eo nt h ew h o l es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m a n dt h e d e s i g n e sc o n t r o l l e rm a k e st h es y s t e mo w n st h ec h a r a c t e ro fr o b u s t ，w h i c hr e a l i z e si n t e g r a t e d d e s i g no b j e c to fa b e r r a t i o nr e g i s t e r i n ga n ds y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o la tm e a n t i m e k e y w o r d s ：s h a f t l e s st r a n s m i s s i o n ；r e g i s t e r i n gc o n t r o l ；s y n c h r o n i z a t i o na n dc o o r d i n a t i o n ； a b e r r a t i o na d j u s t m e n t ；d e v i a t i o n - c o u p l i n g ；b e c k s t e p p i n g ；d i r e c t i v ea d a p t i v e - f u z z yc o n t r o l ； t r a c k 一i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t ：i i i 第1 章绪论1 1 1 印刷简介1 1 1 1 印刷的概念l 1 1 2 印刷的分类和发展1 1 2 课题研究的目的和意义2 1 2 1 研究包装印刷的意义2 1 2 2 凹版包装印刷的优势与发展趋势2 1 2 3 无轴印刷技术的优势3 1 2 4 无轴的应用5 1 2 5 智能控制方法在无轴套印控制中的应用5 1 3 论文解决的主要问题和论文的结构7 第2 章无轴凹版包装印刷机的结构组成及其系统构成9 2 1 无轴凹版包装印刷机的结构和工艺原理9 2 1 1 无轴凹版包装印刷机的结构。9 2 1 2 无轴凹版包装印刷机的传动机构l l 2 1 3 无轴凹版包装印刷机的工艺过程1 2 2 2 无轴凹版包装印刷机的系统构成1 3 2 3 伺服系统1 4 2 3 1 伺服控制结构：1 4 2 3 2 伺服系统在无轴凹版包装印刷机中的应用1 5 2 4 三相交流永磁同步电机( p m s m ) 1 5 2 4 1p m s m 基本运动方程1 6 2 4 2p m s m 矢量控制1 7 2 4 3 伺服传动系统模型18 2 5 本章小结2 0 第3 章无轴凹版包装印刷机的套准研究2 1 3 1 无轴凹版包装印刷机的套印色差检测2 1 3 1 1 套印色差产生的原因2 1 一v 一 东北大学硕士学位论文目录 3 1 2 套印色差的检测：2 2 3 2 色差的套准：2 5 3 2 1 套准的概念2 5 3 2 2 预套准系统。2 5 3 2 3 套准的实现2 6 3 3 色差的修正2 9 3 4 套印误差轨迹规划31 3 5 本章小结3 4 第4 章无轴凹版包装印刷机的套印控制策略3 5 4 1 同步控制3 5 4 1 1 同步控制的原理及方法3 5 4 1 2 无轴套印系统中的同步关系3 8 4 2 消除色差的套印控制方法3 9 4 2 1b a c k s t e p p i n g 控制方法用于套印控制3 9 4 2 2 基于偏差耦合思想的b a c k s t e p p i n g 控制方法用于套印控制4 5 4 2 3 直接自适应模糊控制用于套印控制5 1 4 3 本章小结6 0 第5 章仿真比较和验证6 1 5 1 基于偏差耦合思想的b a c k s t e p p i n g 控制策略仿真6 1 5 1 1 仿真模块建立6 1 5 1 2 仿真效果验证6 3 5 2 基于偏差耦合思想的直接自适应模糊控制策略仿真6 7 5 2 1 仿真模块建立6 7 5 2 2 仿真效果验证6 9 5 3 三种控制策略的对比7 1 5 4 对多级耦合偏差的进一步讨论7 3 5 5 本章小结7 4 第6 章结论j ：。7 5 参考文献7 7 蛩受谢81 一v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 印刷简介 1 1 1 印刷的概念 所谓印刷指的是将文字、图画、照片等原稿经制版、施墨、加压等工序，使油墨转 移到纸张、织品、皮革等材料表面上，批量复制原稿内容的技术。所谓印刷机就是指借 助印刷压力或其他方式将印版等载体表面上的图文信息以油墨或其他显示媒介的形式 转移并牢固地附着在纸张或其他承印物上的一种自动机器n 1 。 1 1 2 印刷的分类和发展 根据印刷机把油墨转到载体表面的方法不同，印刷大致可分为四种基本类别：( 1 ) 凸版印刷；( 2 ) 凹版印刷；( 3 ) 平版印刷；( 4 ) 孔版印刷。 凸版印刷是一种最古老的印刷方法，使用具有凸起表面印版进行印刷。印刷时，油 墨涂在字模的表面，然后压印到承印材料上，字模表面的油墨就转移到了材料表面形成 一个印迹。手排印刷、莱诺整行铸排机印刷、铅版印刷、电版印刷和照相凸版印刷都属 于凸版印刷。 凹版印刷简称“凹印”，最早出现于1 5 世纪的欧洲，是通过手工或机械方式在金属 板上雕刻，使印刷版形成一些凹下去的字或图像的一种印刷方法。印刷时敷上油墨，把 版面所着的多余油墨去净，只让留在凹下部分的油墨转印到承印材料上。之后发展了照 相腐蚀凹版( 旧称影写版) 及机械雕刻凹版( 包括用电子雕刻机雕刻的) 、激光雕刻凹 版、电子束雕刻凹版等。凹版形状也由平板型发展为弧型，现代凹印多为轮转印刷。版 材向以金属( 辅以镀铬、镍等) 为主，到现在发展成用塑料套筒。 平版印刷也叫化学印刷，是指印刷图像与印刷版位于同一平面上。它是基于“油水 不相混 的原理实现印刷的。通过机械或手工把图像呈在石头或金属表面，然后对该表 。面进行化学处理使得图像部分亲墨，而其他空白部分不亲墨。印刷时只有亲墨的图像部 分转移到纸张上，形成印迹。照相版印刷、影印石版和胶印都属于平版印刷。 孔版印刷包括誊写版、镂孔花版、喷花和丝网印刷等。其原理是：在纸膜版或其它 版的版基上制作出可通过油墨的孔眼，印刷时印版通过一定的压力使油墨通过孔版的孔 眼转移到承印物上形成图像或文字。誊写版印刷为最简便的孔版印刷，在特制的蜡纸上 通过打字机或铁笔制成蜡纸图文版，用油墨印辊进行印刷。在孔版印刷中，应用最广泛 的是丝网印刷。 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 课题研究的目的和意义 本文选择凹版包装印刷机作为研究对象，对其套印控制问题进行深入研究。根据凹 版印刷机的发展趋势和包装印刷品的实际应用情况，在研究过程中采用国际上最为流行 的无轴驱动技术对凹版印刷机进行驱动。 1 2 1 研究包装印刷的意义 印刷品在日常生活中随处可见，它是图文信息的重要载体，对人类文明的传播和社 会进步起到重要的作用。随着人们物质生活水平不断提高，审美意识不断增强，人们开 始越来越多地讲究商品包装精美的印刷效果。人们在实现商品使用价值的同时，也享受 着多彩包装给生活带来的乐趣。从某种意义上讲，商品的包装决定着人们的购买欲望乜1 。 2 0 0 7 年全球包装产品产量超过1 3 亿美元，并有着较强的预期市场增长率。近年来中国 经济的强力腾飞使得国内包装印刷行业得到长足发展，国内包装市场近十年来每年以 2 0 以上的速度增长，其凹版包装印刷市场的增长更快，而且印刷的质量和品位也在不 断地提高。现代意义的包装印刷不再是简单的说明和文字，而是企业文化、企业形象、 产品品牌的最有效的传播载体，更是产品内在质量和产品外观形象的完美统一；同时设 计新颖、印刷精美的印刷包装给顾客更深刻的印象和极大的吸引力。轻工业产品如卷烟、 酒类、食品、医药、小家电、化妆品等产品档次不断提高，市场的份额越来越大，也需 要精美彩色包装。因此包装印刷行业是一个具有光明前景的行业，对包装印刷的研究就 有实际的意义。 1 2 2 凹版包装印刷的优势与发展趋势 1 2 2 1 凹印的优势 长期以来凹版印刷一直都用于长活版的印刷。因此，大多数高档彩色出版物都普遍 采用凹版印刷工艺。凹版印刷色差小、色彩还原准却，其印品墨层厚实、墨色均匀，图 案色泽鲜艳饱满、立体感强，同时还可以实现无接缝图像印刷，印刷质量稳定性好、承 印材料适用面广、可与多样承印物对应( 纸张、铝箔、p v d c 、p e t 、p e 、p p ；p s 、n y 、 c p p 、o p p 、b o p p 、组合膜、瓦楞纸等多种材料和复合型材料) 等优点。 1 2 2 2 凹印的应用范围 由于凹版印刷效果和印刷质量上的优势，凹版印刷应用范围十分广泛。据统计，凹 版印刷品市场份额占杂志和产品目录印刷市场的3 0 - 4 0 ，占包装印刷市场的3 5 - - 4 5 ，占图书印刷市场的2 5 船3 。凹版出版物主要分为包装品、商务印件和特种印品等。 凹版包装印刷品种很多，主要包括纸盒、干湿食品包装、饮料的搬运包装、面包糖果 盒装，以及其它各种商品的包装等；软包装包括各种软性饮料的纸、塑料、铝箔及多层 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 复合的软包装，以及商标标贴( 用于罐头、瓶子、未印过的纸盒、纸箱、或其它容器上) 。 凹印出版物的种类有商业性印件、传单、直接邮购件、小册子、广告插页、商标贴头、 财务会计表单等。此外，凹印还用来印刷一些特殊产品：香烟过滤头、热转移纸、大理 石花纹装饰纸、人造木纹板及上特种涂料的纸、热封瓶盖、烫印箔、药丸及糖果商标纸、 纺织品、扑克牌等等。 在国内凹版印刷主要应用于商品外包装和特种印刷领域：在香烟包装印刷领域始终 占据“统领 地位，同时也占据了食品包装的半壁江山，在日用品及药品包装领域也是 主力军。近年来凹版印刷在乳品、果汁、蔬菜汁以及中药制剂、保健饮品等其它软饮料 市场上得到了广泛应用。除了在产品印刷上拥有巨大优势，凹印设备的综合加工能力也 很强，可附加上光、复膜、涂布、模切、分切、打孔、横断等工序；各种固体包装盒、 液体包装盒、烟包类、酒包类等都需要凹印设备的综合加工。 1 2 2 3 凹版印刷机的发展历程 凹版印刷机自出现以来，主要还是采用以机械轴传动为主的传动印刷方式。随着现 代计算机技术、信息技术、新传感技术以及驱动技术快速发展，使凹版印刷向着高智能 化、高自动化以及高效能化方向发展，经历了几个阶段的发展心1 ： ( 1 ) 全人工手动调节阶段 这是最原始的“控制 方法，所有的包装印刷过程都要靠工人的手动调节，套色准 4 确与否仅靠印刷工人肉眼观察，依靠多年积累的经验调节。这种控制方式已经淘汰。 ( 2 ) 自动化程度较低的机械轴调节阶段 开始印刷时由操作工人手动调节，当误差在一定范围内时再由机械轴通过变比齿轮 调整伺服电机进行套准。这种套色控制器电路采用全模拟电路，虽然比全手动套准简单， 但控制性能还是比较低。采用模拟电路，信号受干扰影响大，造成套色误差精度差，产 品质量比较低。 ( 3 ) 基于现代网络结构的无轴调节阶段 随着现场总线和网络技术的发展，自动化网络的结构模式应用到凹版印刷机中，同 时电机控制技术、计算机技术以及信息技术的发展，推动了无轴传动技术的产生。将两 者融合就是当前国际最流行的无轴设备网络结构，完成离散化生产过程的同步控制、逻 辑控制和生产信息管理功能。该网络控制模式将现场总线、网络、信息技术注入传统的 机电设备，并将现代精密伺服理论、多轴同步理论、智能控制理论融为一体，是套印控 制系统的彻底变革，但是目前此项技术在我国仍不成熟。 无轴传动技术在印刷机上的应用是当前国际流行趋势，无轴传动技术应用在印刷技 术上较传统的印刷方式有很多的优势。 1 2 3 无轴e p , 届u 技术的优势 一3 一 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 自1 9 9 4 年首次将无轴传动技术引进印刷领域后，由于其自身的诸多优势，使该项 技术已经得到了印刷业界的认可，并逐渐的表现出强劲的发展趋势，尤其在大型的凹版 印刷机的制造中更是风头占尽。近十年来无轴驱动几乎取代了机械长轴的驱动方式，与 传统的机械轴凹印机相比，无轴凹印机具有以下优点： ( 1 ) 简化结构，节省工作空间 在无轴驱动方式下，印刷单元均采用独立的驱动方式，可省略两个印刷单元之间的 补偿辊机构，同时节省了大功率驱动电机和一系列机械传动机构，包括补偿机构、印版 滚筒和压印滚筒的驱动齿轮、齿轮箱、皮带盘、皮带、传动轴等；无轴凹印采用相位调 整的方式进行套准，取消了独立的套准调整机构，从而节省大量空间。 ( 2 ) 快速预套准功能，缩短印刷准备时间 无轴驱动系统可以自动检测各印刷滚筒的相位，换版时版辊随意装入印刷单元，伺 服电机就可以自动复位，整个预套准过程不需人工介入，预套准完成之后将自动转换至 自动套准状态，实现真正意义上的自动高精度预套准。 ( 3 ) 印刷速度快，套准精度高 使用机械传动系统时，不可避免的扭力不稳定性及齿轮的滞后性，都会导致套准产 生误差，尤其在加速或减速时更严重。如果传动轴和齿轮越多越长，其积累误差就越大。 无轴系统采用电子轴传动，电机定位精度可达1 微米，可实现非常精密的定位、比例及 速度的控制；采用独立的套准系统，系统容量大，可实现设备驱动和套准调整的统一化； 各电子轴之间通过高速的现场总线进行数据传输哺1 ，每个驱动单元信号的获取及传输都 是通过光纤电缆来完成的，控制信号直接作用于伺服电机，而电机直接作用于调节印版 滚筒的相位，这就为快速反应提供了可靠保证口1 。 ( 4 ) 系统扩展灵活方便 无轴传动的印刷机可以对现有的设备加以扩展，如加色等，缩短了调试时间增强了 设备的适应能力，大大提高了设备的可用性。同时由于模块化的设计单元，可以对设备 进行理想的组合。 ( 5 ) 降低成本、效率高 由于伺服电机的使用，减少了昂贵的机械部件，使零备件储备成本锐减，减少了机 械加工和维护成本，使维修停机时间减少，意味着开发、生产和运行成本的降低；高精 度的预套准功能，大大地降低了废品率，最大限度的降低成本。对于无轴印刷设备的拓 展、升级，仅需要改变参数设置就可以完成，提升了效率，节约了运行成本。 ( 6 ) 远距离的技术支持 伴随着计算机技术和网络技术的广泛应用，企业与企业之间的距离缩短了，使印刷 机的远程诊断和技术服务成为可能。应用网络数字化控制系统的无轴传动印刷机，完全 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 融入到企业管理网络之中，无论在地球上的任何一个角落，只要告知无轴传动印刷机生 产企业机器出现的问题。几乎同时，无轴印刷机制造商就可以为用户进行技术服务，从 而可以最大限度的减少停机时间。 ( 7 ) 可靠性高，维修方便 无轴传动技术采用的是一种高效的电机，其从根本上消除了电刷磨损和齿轮磨损， 噪音小、寿命长、效率高、运行可靠、维护简单，所有动力线或信号线均为屏蔽线，每 个电机的驱动器都是相同的型号，可以实现互换，维修方便。 尽管无轴技术在印刷设备上的应用时间不久，但是无轴印刷机的巨大优势不仅能够 用户对印刷品高质高速高精度的要求，也代表着了新技术发展的方向，因此无轴驱动与 凹版印刷的结合是包装印刷未来发展的必然方向。无轴印刷机的出现不仅仅为凹印带来 了极大成功，也给印刷业带来了巨大的变革，目前全球主要的印刷设备生产厂商都将目 光转移到无轴印刷这一具有巨大潜力的新兴技术上，所以研究无轴印刷也具有相当的现 实意义。 1 2 4 无轴的应用 无轴传动技术是印刷机上近3 0 年来最伟大的技术革新。然而无轴技术最早并不只 是为印刷机服务的。近年来，无轴传动技术在军事、机械加工、机器人、数控机床、造 纸、印染、轮胎加工和大型设备传动等领域大量应用，并且凭借其自身优势获得了巨大 的成功n 引。 无轴技术是当前机械设计和制造技术的一个重要发展方向。在机械加工中，由实际 位置到期望轮廓的距离产生的轮廓误差，就是通过无轴传动技术大幅度降低。高速龙门 移动式锉铣加工是同步传动的典型应用。另外工程中的许多机械设备或系统，例如大型 同步轧机、辊式破碎机、煤球机、大型闸门、纺织工厂中的纱绽、冶金工厂中的多轴辊 道、拉伸式矫直机、双滚筒或多滚筒驱动的带式输送机、造纸机、桥式或龙门起重机、 飞剪机等机械设备，都要求它们的回转轴有接近相同的速度或有相同的相位，这类问题 一般统称为多轴传动系统“同步 问题，而无轴传动技术就可以满足它们的工作要求。 随着控制理论与控制方法以及电子技术等的发展，出现了比较先进的智能控制方法在无 轴传动中的应用。 1 2 5 智能控制方法在无轴套印控制中的应用 应用在印刷机中的无轴系统主要通过独立驱动的伺服电机带动各印辊进行同步协 调运行，在出现色差时进行套准控制，通过伺服电机带动各印辊的协调运行消除色差， 印刷出精美的印刷品。由于无轴系统在各行业获得广泛应用，并拥有巨大的发展潜力， 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 无轴同步协调控制的研究已经不是一个崭新的课题了，目前在同步协调控制方法中，除 了普遍应用的p i d 控制之外，大多数先进控制方法，如神经网络、模糊控制、滑模变结 构、玩控制等均在同步协调中得到大量应用并取得了一定的成功。 1 2 5 1 滑模变结构控制 变结构控制( v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ，v s c ) ，也称为滑模变结构控制h 3 。是前苏 联学者e m e l y a n o v ，u t l d n 和i t k i n 在2 0 世纪6 0 年代初提出的一种设计方法。本质上是 一类特殊的非线性控制，表现为控制的不连续性1 。 滑模变结构控制器与的优点是不需要知道系统的准确的数学模型，而只需要了解系 统的参数及外来扰动变化的大致范围，并且具有降阶，解耦的功能，能较好的解决系统 动静态特性之间的矛盾，控制规律简单汨1 。在无轴印刷机套印系统中，驱动电机是一个 多变量、强耦合、非线性、变参数的复杂对象n0 】，多个电机的同步协调控制更是一个复 杂的过程。采用滑模控制方法控制无轴套印系统，当多电机的控制状态进入滑模状态时， 系统状态的转移就不再受系统原有的参数的变化和外来扰动的影响，具有完全的自适应 和鲁棒性璐1 ，可以达到较好的控制效果。该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后， 由于系统惯性、滞后等因素的存在而使系统不能理想地沿着滑模面向平衡点滑动，而是 在滑模面两侧来回穿梭，从而产生抖振现象n 1 3 ，影响系统的性能。 1 2 5 2 神经网络 神经网络控制系统( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，6 州) ，亦称为神经网络( n n ) ，是 利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系统n2 1 ，它是一种大规模 并行的非线性动力学系统。具有并行处理、分布储存信息、容错能力和在线或离线方式 进行自学习和自组织的能力，控制时不依赖控制对象的数学模型。在无轴套印控制系统 中，采用神经网络对电机参数中非线性参数进行在线辩识和检测，可以使系统的性能在 各个方面得到全面改善，尤其是对动态性能和稳定性能有很大的提高n3 l 。还可以采用人 工神经网络控制电机的速度、位置控制器，加入在线辨识补偿技术，可以有效地克服负 载转矩变化、转动惯量变化、粘滞摩擦系数变化等带来的不良影响，从而实现高性能的 同步协调控制田1 。 1 2 5 3 模糊控制 自1 9 6 5 年z a d e hl a 教授创立模糊集合以来得到了较快的发展和实际应用，成为 智能控制领域中的一个重要组成部分。7 0 年代中期以m a m d a n ie h 为代表的一批学者 提出了模糊控制的概念，标志着模糊控制的正式诞生。模糊控制的基本思想是将有经验 的操作者对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以i f t h e n 形式表示的控 制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对象或过程。模糊控制不需要精确 的数学模型，是解决不确定性系统控制的一种有效途径。在无轴套印系统中，用模糊控 一6 一 噬 、 i 麓、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 制方法应用于电机的矢量控制n 5 1 ，可以很好地克服传统矢量控制方法中非线性、参数变 化等对系统性能影响过大的缺点，使系统具有较强的鲁棒性。在协调多电机同步运行时 可以有效的对电机进行控制n 钔。缺点是需要专家的经验，建立较为合理的规则库。 1 2 5 4 专家系统 专家系统是人工智能学科中最为成熟的应用领域之一，主要由数据库、知识库、推 理机、解释器及知识获取五个部分组成。基于知识的专家控制是指专家系统的原理和技 术同控制理论方法与技术相结合，在未知环境下，模仿专家的智能，实现对系统的控制。 用于无轴套印系统，根据老工人的经验建立专家数据库，利用他们的经验结合合理的控 制方法，达到无色差的套印控制。但是如何获取完备的领域知识一直是困扰系统设计者 的“瓶颈问题；另一方面，过多的知识会影响系统的推理速度，造成系统的实时性差， 为此需寻求更加简单有效的知识表示方法n 们。 1 2 5 5 玩控制 圾状态变量鲁棒控制法始于8 0 年代初期n 引，应用在无轴套印系统设计控制器时， 要考虑到电机模型可能发生的变化，这样控制器就适用于控制对象的广义传函g ( s ) 在虚 潦 轴上无交点，满足实的、正则的、且在实的左半平而无零、极点( 主要指右半平面零极 点) 的对象。采用玩控制方法和变结构奇异值方法为代表，正逐步形成了鲁棒控制系 统的完整体系n 引。 通过以上对多种智能控制方法在无轴印控制系统应用上的优势和不足的简要分析， 结合本文凹版包装印刷机的特点，创新性地提出基于偏差耦合思想的多轴同步协调的控 系 制方法，具体的研究将在第四章和第五章做详细的论述。 1 3 论文解决的主要问题和论文的结构 本文以无轴凹版包装印刷机的套印控制系统为主要研究对象，进行多电机的同步和 协调控制的研究。印刷机控制的主要问题就是套印控制，其中涉及电机的同步控制，以 及偏差的检测和偏差消除的控制问题。无轴套印系统不同于传统印刷机械，同步控制和 套准协调控制都是由伺服驱动单元完成的，因此，在无轴系统的设计过程中就必须综合 考虑色差调整与系统同步之间的关系。本文从色差处理和同步协调两个方面进行研究， 使用合理的误差耦合及同步协调控制策略，使色差按照理想方式转化成相对位置偏差累 加在原始给定上，并由伺服驱动单元共同执行。控制无轴套印系统的核心问题就是怎样 合理的协调多个相关量( 色差调整和电机同步协调) 在动态实时套准过程中的关系，以 实现无轴印刷机高速无色差的运行。 全文共分为6 个主要部分： 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第一章：简要介绍了无轴凹版包装印刷机的概况、发展和趋势。通过分析无轴印刷 技术，概括说明了多种智能控制方法在无轴套印系统中的应用，确定本课题拟解决的核 心问题。 第二章：通过介绍无轴凹版包装印刷机的结构和工艺过程构建无轴凹版包装印刷机 的系统组成，同时分析单轴伺服系统的矢量控制数学模型，对被控对象进行总体的介绍。 第三章：结合色差出现的主要原因对印刷机的套印系统进行分析，确定无轴系