Моделі і методи контролю процесів рулонного ротаційного друку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Українська академія друкарства

УДК 004.9

Спеціальність 05.13.06 - інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МОДЕЛІ І МЕТОДИ КОНТРОЛЮ ПРОЦЕСІВ РУЛОННОГО РОТАЦІЙНОГО ДРУКУ

Кобильнік Катерина Олегівна

Львів - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Ткаченко Володимир Пилипович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри інженерної та комп'ютерної графіки

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Тимченко Олександр Володимирович, професор кафедри автоматизації та комп'ютерних технологій Української академії друкарства

- кандидат технічних наук, доцент Батюк Анатолій Євгенович, доцент кафедри автоматизованих систем управління Національного університету "Львівська політехніка"

Захист відбудеться 5 травня 2011 р. о 16:30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.101.01 в Українській академії друкарства (ауд. 101, вул. Підголоско,19, м. Львів, 79020).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Української академії друкарства (вул. Підвальна 17, м. Львів, 79008).

Автореферат розісланий "31" квітня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Ц. Жидецький

Анотації

Кобильнік К.О. Моделі і методи контролю процесів рулонного ротаційного друку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спе-ціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Українська академія друкарства, Львів, 2011.

Дисертація присвячена створенню і дослідженню інформаційних моделей для систем контролю рулонного ротаційного друку та ефективних засобів їх реалізації у сучасних високопродуктивних поліграфічних технологіях.

Для реалізації ефективних систем керування здійснено математичний опис окремих технологічних операцій і підсистем РРМ. Окремі технологічні операції розглядаються як локальні інформаційні об'єкти, а друкарський процес в цілому - як багатомірний об'єкт та інформаційна модель. Синтезовано та досліджено інформаційні моделі елементів стрічкопровідних систем РРМ, встановлено залежності між їх основними параметрами. Побудовано структурну схему моделі зміщення фарб з регулюючою дією регістрового валика і фази формного циліндра та запропоновано функціональну схему САК суміщення фарб за методом "стрічка-стрічка" та "стрічка-циліндр". Вперше синтезовано метод адаптивного кодування сигналів, в якому досягається мала похибка формування сигналу апроксимації і сталі періоди формування сигналу адаптації, та нові алгоритми функціонування САК, в тому числі адаптивних, на основі методів різницевого подання і обробки сигналів в паралельно-послідовних реалізаціях процесорів, що скорочує затримку формування вихідного сигналу та підвищує їх технологічність. Запропоновано використання прямої нейромережевої моделі для контролю і керування процесом друку в РРМ без проведення усесторонніх математичних досліджень. Моделювання в системі Simulink підтверджує їх ефективність і відкриває можливості для побудови інформаційної технології контролю процесів рулонного ротаційного друку.

Ключові слова: рулонний ротаційний друк, синтез алгоритмів систем автоматичного керування, різницеві методи.

Кобыльник К.О. Модели и методы контроля процессов рулонной ротационной печати. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Украинская академия печати, Львов, 2011.

Диссертация посвящена созданию и исследованию информационных моделей для систем контроля рулонной ротационной печати и эффективных средств их реализации в современных высокопродуктивных полиграфических технологиях.

Поскольку печатный процесс является многопараметрическим объектом, а его математическое описание - сложной задачей, для реализации эффективных систем управления осуществлено математическое описание отдельных технологических операций и подсистем РРМ, которое устанавливает связи между выходными и входными параметрами, позволяет выполнить анализ отдельных узлов и провести синтез САУ. Отдельные технологические операции рассматриваются как локальные информационные объекты, а печатный процесс в целом - как многомерный объект и информационная модель. Синтезированы и исследованы информационные модели элементов лентопроводящих систем РРМ (разматывающего и наматывающего узлов, направляющих валиков, амортизирующих элементов, печатных пар, с учетом внутренней обратной связи по натяжению ленточного материала), установлены зависимости между их основными параметрами. Построена и исследована структурная схема лентопроводящей системы многосекционной РРМ. Получена зависимость смещения метки от изменения деформации ленты, и на ее основе построена структурная схема модели смещения красок с регулирующим действием регистрового валика и фазы формного цилиндра, а также предложена функциональная схема САУ совмещения красок по методу "лента-лента" и "лента-цилиндр" для многокрасочных РРМ.

Впервые синтезирован метод адаптивного кодирования сигналов управления, в котором достигается низкая погрешность формирования сигнала аппроксимации и постоянные периоды формирования сигнала адаптации. С их помощью можно представить сигналы в САУ - как одноразрядные, адаптивные или с использованием аппроксимирующего сигнала, причем их разное представление можно использовать одновременно в зависимости от удобства реализации процессоров обработки и заданной точности вычислений.

Разработаны новые алгоритмы функционирования процессоров САУ с известной импульсной характеристикой, в том числе адаптивных, на основе методов разностного представления и обработки сигналов в параллельно-последовательных реализациях процессоров. Для повышения быстродействия процессоров и максимального сокращения времени задержки формирования выходного сигнала, что важно при применении процессоров в замкнутом контуре управления реального времени, предложены алгоритмы их функционирования с рециркуляцией произведений или рециркуляцией коэффициентов.

Предложено использование прямой нейросетевой модели для контроля и управления процессом печати в РРМ без проведения всесторонних математических исследований. Моделирование в системе Simulink подтверждает их эффективность и открывает возможности для построения информационной технологии контроля процессов рулонной ротационной печати.

Ключевые слова: математические модели, лентопроводящая система, синтез алгоритмов, структурные схемы, разностные методы.

Kobylnik K.O. А Models and methods of control of processes of roll rotary seal. - Manuscript.

Dissertation on winning of learned candidate degree of technical sciences for speciality 05.13.06 - information technologies. Ukrainian Academy of Printing, Lviv, 2011.

Dissertation is devoted creation and research of informative models for the checking of roll rotary seal and effective facilities of their realization systems for modern highly productive polygraphs technologies.

For realization of the effective systems a management is carried out mathematical description of separate technological operations and subsystems of RRM. Separate technological operations are examined as local information holding objects, and printing process on the whole - as a multidimensional object and informative model. The informative models of elements of the tape systems of RRM are synthesized and investigational, dependences are set between their basic parameters. The flow diagram of model of displacement of paints is built with the controlaction of register roller and phase of form-cylinder, and a functional diagram is offered SAС of combination of paints after a method "ribbon-ribbon" and "ribbon-cylinder". The method of adaptive code of signals, in which the small error of forming of signal of approximation and permanent periods of forming of signal of adaptation, and new algorithms of functioning, is arrived at SAK, is first synthesized, in a that number adaptive, on the basis of methods of different presentation and treatment of signals in parallel-serial of processors, that abbreviates the delay of forming of initial signal and promotes their technologicalness. The use of line of neuron network model is offered for control and process control of seal in RRM without the leadthrough of comprehensive of mathematical researches. A design in the system of Simulink confirms their efficiency and opens possibilities for the construction of information technology of control of processes of roll rotary seal.

Keywords: roll rotary seal, synthesis of algorithms of the systems of automatic control, different methods.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток сучасних ринкових відносин в Україні вимагає розробки нових систем, технологій і устаткування для випуску високоякісної поліграфічної продукції. Основними вимогами є висока продуктивність обладнання і задана якість продукції. До таких систем, зважаючи на швидкість їх функціонування, слід віднести високопродуктивні рулонні ротаційні машини (РРМ), системи флексографського друку та подібні. Стрічкопровідна система РРМ є основним об'єктом систем контролю, головною складовою ланкою високошвидкісних і високопродуктивних машин для випуску різного роду продукції. В агрегатах поточних ліній стрічковий матеріал, який рухається безперервно (папір, текстильне полотно, стальна стрічка, полімерна стрічка, поліетилен, поліпропілен та ін.) і послідовно проходить технологічну обробку на взаємозв'язаних секціях, являє собою складний багатомірний об'єкт управління. Надійна і ефективна робота стрічкопровідних систем РРМ та керування ними, як об'єктами систем контролю, можливі лише у випадку науково обґрунтованих методів побудови і аналізу адекватних моделей стрічкопровідних пристроїв і складових їх елементів, математичний опис яких є одним із найважливіших етапів аналізу та проектування РРМ і систем управління ними. Це дозволить синтезувати ефективні алгоритми керування і на їх основі - швидкодіючі процесори керування.

Вибір та розробка математичного опису елементів та вузлів РРМ має принципове значення, тому що побудова адекватних моделей визначає можливості аналізу системи управління, можливості використання сучасних методів для їх синтезу.

Теоретичні основи опису елементів стрічкопровідних систем та їх приводів досліджено в наукових працях відомих учених, таких як: Башарін А.В., Борцов Й.А., Соколовский Г.Г., Бушунов В.Г., Волощак І.А., Луцків М.М., Митрофанов В.П., Толстой Г.Д., Чехман Я.І., Ярема С.М. Елементи електроприводу цих систем знайшли відображення у роботах таких відомих учених, як Дурняк Б.В., Єгоров В.Н., Шестаков В.М., Ройзен С.С., Толстой Г.Д. Системи керування і моделювання стрічкопровідних систем та їх приводів досліджували Дурняк Б.В., Казакевич В.В., Ізбіцький Є.І., Кунцевич В.М., Гостєв В.І., Заде Л., Дезоєр Ч., Стрепко І.Т. і Тимченко О.В. Проте значний прогрес у розвитку РРМ поставив нові задачі інформаційного забезпечення та розробки нових систем управління ними, які забезпечують вищу якість і швидкодію.

Вирішення цих задач можливо лише в рамках спеціально розроблених інформаційних технологій, важливий внесок у формування теорії яких зробили Глушков В.М., Стогній А.А., Губарєв В.Ф., Бусленко Н.П. і Сергієнко І.В. Тому актуальною є наукова задача розроблення інформаційних моделей і методів контролю процесів рулонного ротаційного друку та ефективних засобів їх реалізації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертація базується на результатах теоретичних і практичних досліджень, виконаних дисертанткою особисто.

Дисертаційна робота тісно пов'язана з планами наукової та навчальної роботи ХНУРЕ, тематикою міжвузівських програм на 2005-2009 роки (Міносвіти України від 3.12.2005 р. №6/10-149), зокрема з проблемою №10 - розробка теорії, моделей та алгоритмів для створення інтелектуальних систем обробки інформації, а також науково-дослідних та госпдоговірних робіт ХНУРЕ, науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт.

Результати дисертаційних досліджень впроваджено у друкарні ТОВ "Оберіг" та у навчальний процес кафедри інженерної та комп'ютерної графіки ХНУРЕ в лекційному курсі та лабораторному практикумі з дисциплін "Моделювання технічних систем в поліграфії" для студентів спеціальності 8.092704 "Комп'ютеризовані технології та системи видавничо-поліграфічних виробництв" базового напрямку 0927 "Видавничо-поліграфічна справа".

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення і дослідження інформаційних моделей для систем контролю рулонного ротаційного друку та ефективних засобів їх реалізації у сучасних високопродуктивних поліграфічних технологіях.

Досягнення поставленої мети здійснюється вирішенням таких завдань:

ь синтезувати інформаційні моделі елементів та вузлів стрічкопровідних систем РРМ та встановити залежності між їх основними параметрами;

ь синтезувати метод адаптивного кодування різницевих сигналів для САК з малою похибкою формування сигналу апроксимації;

ь синтезувати алгоритми функціонування та структури адаптивних процесорів САК на основі методів різницевого подання сигналів для скорочення затримки формування вихідного сигналу при заданій точності обчислень;

ь розробити методи синтезу прямої нейромережевої моделі для оптимізації складних контурів регулювання РРМ;

ь провести комп'ютерне моделювання розроблених систем для підтвердження їх ефективності.

Об'єкт дослідження: технологічні процеси друку на стрічковому матеріалі в рулонних ротаційних машинах.

Предмет дослідження: моделі систем проводки стрічки та суміщення фарб та методи керування цими системами.

Методи дослідження: в роботі були використані методи диференціальних рівнянь та перетворення Лапласа для створення інформаційних моделей елементів та вузлів стрічкопровідних систем, математичного і комп'ютерного моделювання для дослідження цих моделей; методи цифрової обробки сигналів для синтезу алгоритмів та реалізації аналого-цифрових перетворювачів і підвищення швидкодії процесорів керування; методи математичного моделювання для перевірки адекватності отриманих результатів щодо реальних даних.

• Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

Отримали подальший розвиток:

· інформаційні моделі елементів стрічкопровідних систем РРМ для встановлення залежностей між їх основними параметрами та визначення перехідних характеристик в типовому випадку.

Вдосконалено:

· структурну схему моделі зміщення фарб з регулюючою дією регістрового валика та фази формного циліндра для системи регулювання суміщення фарб за методом "стрічка - стрічка" та "стрічка - циліндр".

Вперше:

· синтезовано метод адаптивного кодування сигналів для систем контролю, в якому досягається мала похибка формування сигналу апроксимації та сталі періоди формування сигналу адаптації для підвищення їх технологічності;

· синтезовано нові алгоритми функціонування та структури адаптивних процесорів керування на основі методів різницевого подання сигналів для скорочення затримки формування вихідного сигналу та заданої точності обчислень;

· запропоновано використання прямої нейромережевої моделі для оптимізації складних контурів регулювання РРМ без проведення детальних математичних досліджень.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені інформаційні моделі дозволяють синтезувати системи контролю процесів друку в РРМ, алгоритми функціонування та ефективні засоби їх реалізації для сучасних високопродуктивних поліграфічних технологій і методів. Зокрема, досліджені інформаційні моделі елементів та вузлів стрічкопровідних систем РРМ дозволяють виявити їх поведінку та взаємозв'язок параметрів в будь-якому заданому поєднанні, а розроблені алгоритми функціонування та структури адаптивних процесорів САК забезпечують якісне виконання технологічних операцій, пов'язаних із транспортуванням та обробкою стрічкового матеріалу.

Виконане на базі запропонованих інформаційних моделей моделювання поведінки стрічкопровідних систем можна застосувати як автономні продукти для проектування САК електромеханічних пристроїв у прикладних задачах.

Теоретичні і практичні результати роботи можуть бути використані при проведенні лекційних та практичних занять в курсах, де розглядається транспортування і обробка стрічкового матеріалу, зокрема в поліграфії, папероробній та металопрокатній промисловостях.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає в самостійному отриманні основних наукових результатів, експериментальних досліджень та апробації результатів. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належить: в [1] - методика адаптації аналого-цифрових перетворювачів; в [4] - інформаційна модель системи натягу стрічкового матеріалу і методика її дослідження, в [14] - застосування інформаційних моделей РРМ в автоматизованих навчаючих системах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень були представлені і всебічно обговорені на науково-технічних конференціях:

· ХХVII Міжнародна науково-технічна конференція "Моделювання", 2008 р. (Київ).

· Науково-методична конференція "Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій 2007, 2008", 19-20 жовтня 2007 р., 28-30 жовтня 2008 р. (Львів).

· Науково-практична конференція "Сучасні проблеми телекомунікацій 2007, 2008", 18-20 жовтня 2007 р., 29-30 жовтня 2008 р. (Львів).

· Науково-технічна конференція "Друкарство молоде". 24-26 березня 2009 р. (Київ).

· Международный молодежный форум "Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке". 30 березня - 1 квітня 2009 р. (Харків).

Публікації за темою дисертації. Матеріали дисертації опубліковано в 14 наукових працях, з них 7 статей у фахових виданнях згідно з переліком ВАК України, 7 - у матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел (129 найменувань) та додатку. Загальний обсяг роботи 157 сторінок, з яких основний текст - 134 сторінки.

Основний зміст роботи

У першому розділі "Аналіз та дослідження інформаційних моделей елементів і вузлів стрічкопровідних систем РРМ" проведено аналіз елементів стрічкопровідних систем РРМ та створено відповідні інформаційні моделі для їх використання в системах керування.

Аналіз показує, що оскільки друкарський процес є багатопараметричним об'єктом, а його математичний опис - складною задачею, ефективним для реалізації систем керування є математичний опис окремих технологічних операцій і підсистем, який встановлює зв'язки між вихідними і вхідними параметрами, дозволяє виконати аналіз окремих вузлів і провести синтез САК. Окремі технологічні операції в такому випадку розглядаються як локальні інформаційні об'єкти, а друкарський процес в цілому - як багатомірний об'єкт та інформаційна модель. Локальні системи управління формують інформаційні об'єкти - це технологічні операції розмотування і подачі паперової стрічки в друкарській машині, суміщення технологічних операцій, електрообладнання і електропривод друкарських машин. Вищий рівень - це інформаційна технологія, яка поєднує окремі інформаційні елементи в єдине ціле і забезпечує загальне управління технологічним процесом друкування.

Стрічковий матеріал під час транспортування і переміщення на РРМ послідовно проходить всі стадії технологічного процесу, пов'язані з виготовленням готової продукції (зволоження, багатофарбовий друк, підсушування, нанесення лаку, розрізування, розмотування, намотування та ін.). При створенні інформаційних моделей вузлів РРМ прийняті такі припущення:

* стрічковий матеріал є пружним матеріалом;

* вагою стрічки і її аеродинамічними властивостями нехтуємо;

* процес деформації стрічкового матеріалу має стаціонарний характер, тобто всі частини на ділянці стрічки деформуються одночасно і рівномірно;

* проковзування стрічкового матеріалу в зоні контактів з направляючими валиками та друкарськими парами відсутнє.

Передаточну функцію пружної стрічки визначаємо як відношення натягу до різниці швидкостей на вході та виході стрічкопровідної ділянки:

,

де - коефіцієнт передачі та стала часу ділянки, зміна яких в часі визначається параметрами технологічного процесу.

Основним джерелом коливань натягу є зміна швидкості стрічкового матеріалу в точці розмотування на поверхні рулону, що зв'язано з безперервним зменшенням радіуса рулону в процесі розмотування, а також його відмінною від кола геометричною формою. При аналізі динаміки процесу розмотування (намотування) рулону необхідно також враховувати зміну маси і моменту інерції рулону в часі:

де ,

, - коефіцієнт передачі та стала часу рулону,

- лінійна швидкість стрічки.

Направляючі валики в РРМ служать для вибору напрямку і схеми проводки стрічки. Одиничний валик з індивідуальним приводом (чи без нього) інтерпретується як інерційна ланка першого порядку зі своєю сталою часу і коефіцієнтом передачі. Проте реальні системи для згладжування коливань натягу в РРМ містять велике число проміжних направляючих валиків (до 12 - без приводу та 2-4 - з приводом. Досліджена інформаційна модель стрічкопровідної системи, яка містить п'ять проміжних направляючих валиків і один валик з індивідуальним приводом (рис.1). На ній позначені: - радіуси циліндрів, - моменти інерції, - рушійний момент, - гальмівний момент шостого валика.

Рис. 1. Функціональна схема моделі стрічкопровідної системи, що містить шість направляючих валиків

З перехідних характеристик (рис. 2) можна зробити висновок, що стрічкопровідна система з шести направляючих валиків поводиться як інерційна ланка відповідного порядку лише в першому наближенні, оскільки значний влив на динаміку системи має зворотній зв'язок через натяг стрічкового матеріалу.



Рис. 2. Перехідні характеристики системи: залежність натягу на сьомій дільниці від натягу на першій ділянці

Також проведено аналіз найбільш активних в динамічному відношенні розмотувальної і намотувальної секцій машини, та динаміки стрічкопровідних систем з амортизуючими елементами, які демпфують високочастотні коливання натягу. На їх основі досліджена структурна схема стрічкопровідної ділянки п-секційної РРМ (рис. 3).

Рис. 3. Структурна схема стрічкопровідної ділянки п-секційної РРМ

Визначено, що натяг стрічки на останній ділянці визначається не тільки гальмівним моментом, силами тертя і жорсткістю механічної характеристики двигуна, але й інерційними властивостями попередніх стрічкопровідних ділянок машини. Побудовані інформаційні моделі є зручними для аналізу стрічкопровідних систем при дії різноманітних збурень, а також для синтезу локальних та загальних систем керування процесами друку в РРМ.

В другому розділі "Розробка і дослідження інформаційних моделей процесу суміщення фарб" досліджуються інформаційні засоби та методи суміщення технологічних операцій, виконаних на стрічці, та синтез відповідних систем. Виявлено, що для повного суміщення потрібна не лише рівність швидкостей (синхронність рухів) стрічки і робочих органів машини, але і синфазність їх руху.

Одержано залежність зміщення мітки від зміни деформації стрічки:

,

а також моделі зміщення фарб з регулюючою дією регістрового валика та фази формного циліндра для багатофарбових РРМ (рис. 4).

Зміщення і-ої фарби по відношенню до 1-ої - x_i/1 визначається підсумовуванням зміщень на всіх попередніх секціях з врахуванням часу проходження (транспортування) задрукованої стрічки до розглядуваної секції:

x_i/1(t) = x_i/i-1(t) + x_i-1/i(t - T_i),

x_i-1/1(t) = x_i-1/i-2(t - T_i) + x_i-2/i(t - T_i - T_i-1).

Розроблено функціональну схему САК суміщення фарб, в якій вимірювання зміщення фарб проводиться за мітками на стрічці, а регулююча дія здійснюється регістровим валиком.

Запропоновано метод кількісного оцінювання суміщення фарб на основі оцінки якості стрічкоживильного пристрою та розрахунку дисперсії несуміщення фарб з її факторною допустимою величиною, що дозволяє проводити діагностику стрічкоживильного пристрою.



Рис. 4. Структурна схема зміщення контрольних міток з регулюючою дією фази формного циліндра

В третьому розділі "Синтез систем контролю процесами друку РРМ" розроблені методи аналого-цифрового перетворення (АЦП) для САК друку, методи адаптивного різницевого цифрового представлення для систем керування, структури АЦП для адаптивного кодування керуючих сигналів, розроблені алгоритми та структури швидкодіючих процесорів САК.

Підвищення точності АЦП завжди вимагає збільшення часу перетворення. В замкнутих системах керування реального часу таке збільшення може призвести до недопустимих похибок при виникненні затримки, в результаті чого система може стати непрацездатною. У випадку побудови оптимальних за швидкодією систем керування можна мінімізувати як розрядність перетворення, так і частоту відліків. Тому для обробки сигналів в замкнутих САК реального часу запропоновано застосовувати АЦП зі змінним кроком квантування, які забезпечать високу швидкість перетворення сигналів при заданій точності в широкому динамічному діапазоні.

Запропонований метод і структура адаптивних АЦП, що дозволяють представляти сигнали в САК - як однорозрядні, адаптивні або з використанням апроксимуючого сигналу, причому їх різне представлення можна використовувати одночасно в залежності від зручності реалізації процесорів обробки та заданої точності (рис. 5).

Рис. 5. Структурна схема адаптивного АЦП

Апроксимуючий сигнал такого адаптивного АЦП має вигляд:

, (1)

де сигнал корекції формується у випадку появи на виході однакових символів однорозрядного коду,

,

- різниця між відліками вхідного і апроксимуючого сигналів, - мінімальний крок квантування. Його вироблення відбувається не в кожний момент дискретизації, а лише при наявності перевантаження, що задане величиною порогу.

В запропонованій схемі (рис. 5) адаптивного різницевого кодування досягається мала похибка формування сигналу апроксимації АЦП і сталі періоди формування сигналу адаптації. Сигнал на виході адаптації може бути представлений одно- та багаторозрядним кодом, що забезпечує високу точність і технологічність виконання.

Розроблені алгоритми функціонування САК на основі запропонованих методів різницевого представлення сигналів реалізують паралельно-послідовні алгоритми функціонування, що суттєво скорочує затримку формування вихідного сигналу.

Використовуємо для реалізації цифрових САК системи з відомою імпульсною характеристикою (ІХ) . При її скінченній довжині алгоритм функціонування процесора можна подати у вигляді:

, (2)

де - квантовані відліки вхідного та вихідного сигналів процесора.

Позначимо:

,

- вхідний та вихідний сигнали,

- оператор зсуву,

, .

Має місце

де - одинична матриця.

Виділивши в (2) перші та другі різниці:

(3)

та перші різниці вхідного сигналу та ІХ

, ,

отримуємо:

, (4)

де: , .

Тоді перша різниця згортки при змішаному різницево-повнорозрядному представленні має вигляд:

, (5)

а при змішаному повнорозрядно-різницевому представленні:

. (6)

Друга різниця згортки (2) має місце лише тоді, коли обидва сигнали є різницевими:

. (7)

З врахуванням (5)-(7) вихідний сигнал процесора регулятора на основі скінченої ІХ можна представити таким чином:

(8)

Звідси отримуємо матрицю передаточної функції процесора САК в термінах -перетворення:

. (9)

Отримані алгоритми (4)-(9) є основою для побудови процесорів швидкодіючих САК з будь-яким видом подання сигналів. Найбільш ефективним для підвищення швидкодії та зменшення обсягу оброблюваних даних є різницеве представлення вхідного сигналу, ІХ та вихідного сигналу процесора, оскільки забезпечує високу швидкість виконання операцій завдяки низькій розрядності подання вхідних сигналів при забезпеченні необхідної точності обчислення вихідного сигналу.

На основі (8) і представлення (3), (4) вихідний сигнал процесора, його перша та друга різниці можуть бути записані у вигляді:

. (10)

Алгоритм (10) реалізує паралельно-послідовну роботу процесора регулятора, тобто обчислення другої різниці може здійснюватись паралельно або послідовно, а накопичення першої та другої різниць - послідовно.

Для підвищення швидкодії процесорів і максимального скорочення часу затримки формування вихідного сигналу , що важливо при застосуванні таких процесорів в замкнутому контурі керування, застосуємо алгоритми з рециркуляцією. Рециркуляцію можна організувати двояко - як рециркуляцію добутків або рециркуляцію коефіцієнтів.

При алгоритмі з рециркуляцією коефіцієнтів добутки в (9) отримують впродовж інтервалу дискретності шляхом перемноження кожного нового кроку квантування сигналу на кроки квантування ІХ , що поступають в рециркуляційному порядку. Групування вказаних добутків для сумування з попередніми в цьому ж періоді здійснюється циклічним способом.

Номер комірки, де формується друга різниця в -му періоді, дорівнює . Вона формується в першому ж такті, підсумовується з неповною згорткою , що містить добутків, і подається на вихід (оскільки містить складових), наприклад, для других різниць та ІХ довжиною :

(11)

За рахунок попереднього накопичення -го добутків в попередніх періодах дискретизації повна згортка, що має добутків, формується в поточному періоді дискретизації і виводиться на вихід в першому ж такті, тобто відразу після поступлення вхідного сигналу в процесор.

Аналогічно до рециркуляції коефіцієнтів реалізується рециркуляція добутків, при якій здійснюється зсув в кожному періоді номера комірки з неповною згорткою на одиницю, завдяки чому номер комірки з повною згорткою завжди дорівнює (рис. 6, перший рядок).

Рис. 6. Приклад реалізації алгоритму з рециркуляцією добутків

В дисертаційній роботі на основі швидкодіючих алгоритмів САК з різницевим поданням сигналів і розпаралелюванням розглянуті методи побудови регуляторів із заданою точністю обчислень. Для цього подамо вихідний сигнал регулятора одномірної САК у вигляді рекурсії:

, (12)

де - нерекурсивна та рекурсивна частини імпульсної характеристики (ІХ) системи.

Нехай сигнали та подані доповняльним кодом з розрядністю та відповідно:

, (13)

де - біт знаку, - біти мантиси.

На основі перших різниць (12) прийме вигляд:

, (14)

де - послідовність перших різниць, яка визначається шляхом нагромадження дозованих сум добутків (14) кроків квантування сигналу на відліки нерекурсивної частини ІХ та сум добутків першої різниці вихідного сигналу на відліки рекурсивної частини ІХ .

Тоді вихідний сигнал регулятора можна подати таким чином:

. (15)

де значення - діапазон зміни вихідного сигналу регулятора, причому звичайно має місце .

Зауважимо, що при заміні місцями сум в (15) можна отримати різні за ефективністю алгоритми функціонування процесорів регуляторів.

На основі запропонованих алгоритмів розроблена структурна схема процесора нерекурсивного та рекурсивного типів (рис. 7). Слід зауважити, що у випадку поєднання алгоритму (15) з відповідним методом АЦП можна отримати оптимальні за швидкодією і точністю САК.

Коефіцієнти регулятора в цьому алгоритмі можуть бути задані в явному вигляді як нерекурсивна та рекурсивна частини ІХ, тому їх заміна при будь-якому переналагодженні закону керування не викликає особливих труднощів, що дозволяє реалізувати адаптивні системи.

Рис. 7. Структурна схема процесора рекурсивного типу

В четвертому розділі "Математичне моделювання та нейромережеві структури систем керування стрічкопровідних вузлів рулонних ротаційних машин" розроблено основні компоненти інформаційної технології, проведено моделювання стрічкопровідних систем РРМ на основі розроблених в попередніх розділах інформаційних моделей.

Використання для моделювання системи MATLAB має безсумнівні переваги перед іншими системами завдяки її потужному розширенню Simulink, яке дозволяє в зручній формі записувати параметри окремих вузлів та проводити візуалізацію поведінки лінійних і нелінійних динамічних систем. Основні результати моделювання - ЛАЧХ, імпульсна характеристика системи, зміни натягу від гальмівного моменту першої друкарської пари при варіації параметрів друкарської пари та стрічки повністю описують поведінку системи і відкривають можливості для побудови САК заданої точності. ротаційний друк поліграфічний керування

Досліджено використання регуляторів на базі нейромережевих моделей для управління натягом та швидкістю руху стрічкового матеріалу в РРМ.

Для моделювання системи регулювання натягу стрічкопровідної системи з трьох стрічковедучих пар вибрані трикутні функції приналежності вхідних змінних. В якості вхідних параметрів АNFIS-мережі (Вхід-1 і Вхід-2) вибрані натяг та швидкість на третій ділянці (рис. 8). Результати моделювання (рис. 9) показують, що САК на основі використання прямої моделі забезпечує практично повну повторюваність заданого виходу, тобто забезпечують керованість стрічкопровідної системи в усіх режимах. Помилка регулювання незначна, що вказує на принципову можливість використання АNFIS-регуляторів для всіх режимів РРМ.

Рис. 8. Пряма НМ регулювання швидкості та натягу



Рис. 9. Результати моделювання САК на основі використання прямої НМ

Таким чином, використовуючи технологію синтезу нечітких алгоритмів управління, можна провести оптимізацію складних контурів регулювання РРМ без проведення детальних математичних досліджень.

Основні результати роботи і висновки

В дисертації на основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень вирішено важливу науково-технічну задачу - створення і дослідження інформаційних моделей і методів контролю процесів рулонного ротаційного друку та ефективних засобів їх реалізації у сучасних високопродуктивних поліграфічних технологіях.

В рамках вирішення цієї наукової задачі отримано такі нові результати.

1. Синтезовані та досліджені інформаційні моделі окремих елементів стрічкопровідних систем РРМ, встановлені залежності між їх основними параметрами, що дозволяють визначити перехідні характеристики в типовому випадку, а також застосувати їх як елементи більш складних систем.

2. Побудована структурна схема моделі зміщення фарб з регулюючою дією регістрового валика та фази формного циліндра, в результаті чого запропонована узагальнена функціональна схема системи регулювання суміщення фарб за методом "стрічка - стрічка" та "стрічка - циліндр".

3. Вперше синтезований метод адаптивного кодування сигналів для САК, в якому досягається мала похибка формування сигналу апроксимації і сталі періоди формування сигналу адаптації, що дозволяє спростити процесори, які використовують такі сигнали та підвищити їх технологічність.

4. Вперше синтезовано нові алгоритми функціонування САК на основі методів різницевого подання і обробки сигналів в паралельно-послідовних реалізаціях процесорів, що суттєво скорочує затримку формування вихідного сигналу. Розроблені структури процесорів з нерекурсивною та рекурсивними частинами імпульсної характеристики забезпечують задану точність обчислень і реалізацію адаптивних систем.

5. Вперше запропоновано використання прямої нейромережевої моделі для контролю і керування процесом друку в РРМ, яка забезпечує практично повну повторюваність заданого виходу, тобто керованість стрічкопровідної системи в усіх режимах, що дозволяє провести оптимізацію складних контурів регулювання РРМ без проведення детальних математичних досліджень.

6. Шляхом моделювання в системі Simulink досліджено різноманітні елементи та вузли стрічкопровідної системи РРМ, що підтверджує їх ефективність і відкриває можливості для побудови інформаційної технології контролю процесів рулонного ротаційного друку.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кобильнік К. Алгоритми швидкодіючих процесорів систем автоматичного керування швидкоплинними процесами / К. Кобильнік // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - Вип. 6/2(18). - Х., 2005. - С. 40-42.

2. Кобильнік К. Методи адаптивного аналого-цифрового перетворення для систем автоматичного керування швидкоплинними процесами / К. Кобильнік // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - Вип. 28. - К., 2005. - С. 144-149.

3. Кобильнік К. Структури адаптивного кодування цифрових систем автоматичного керування швидкоплинними процесами / К. Кобильнік // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - Вип. 29. - К., 2005. - С. 177-182.

4. Ткаченко В. Вибір методів аналого-цифрового перетворення для систем автоматичного керування реального часу / В. Ткаченко, К. Кобильнік // Комп`ютерні технології друкарства. Зб. наук. пр. - Вип. 13. - Львів: УАД,. 2005. - С. 62-69.

5. Кобильнік К. Дослідження параметрів систем натягу стрічки РРМ в середовищі МАТLАВ / К. Кобильнік, В. Пуцило, І. Стрепко // Комп`ютерні технології друкарства. Зб. наук. пр. - Вип. 18. - Львів: УАД, 2007. - С. 40-46.

6. Кобильнік К.О. Розробка і дослідження інформаційних моделей процесу суміщення фарб / К.О. Кобильнік // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - Вип. 53. - К., 2009. - С. 207-216.

7. Кобильнік К.О. Синтез систем активного контролю швидкоплинних технологічних процесів в поліграфії / К.О. Кобильнік // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - Вип. 52. - К., 2009. - С. 201-209.

8. Кобильнік К. Инверсные нейросетевые модели регуляторов для управления быстропротекающими процессами / К. Кобильнік // Матеріали наук.-пр. конф. "Сучасні проблеми телекомунікацій - 2007". 18-20 жовтня 2007 р. - Львів, 2007. - С. 31-32.

9. Кобильнік К. Инверсные нейросетевые модели регуляторов для управления быстропротекающими процессами / К. Кобильнік // Матеріали наук.-мет. конф. "Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій - 2007", 19-20 жовтня 2007 р. - Львів, 2007. - С. 31-32.

10. Кобильнік К. Методика отримання алгоритмів керування цифрових САК / К. Кобильнік // Матеріали наук.-пр. конф. "Сучасні проблеми телекомунікацій - 2008", 29-30 жовтня 2008 р. - Львів, 2008. - С. 87-88.

11. Кобильнік К. Методика отримання алгоритмів керування цифрових САК / К. Кобильнік // Матеріали наук.-мет. конф. "Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій". 28-30 жовтня 2008 р. - Львів, 2008. - С. 87-88.

12. Кобильник К. Методы построения нейросетевых регуляторов для стабилизации натяжения и скорости РПМ / К. Кобильник // ХХVIІ Науково-технічна конференція "Моделювання". ІПМЕ НАН України. Тези конференції. 10-11 січня 2008 року. - К., 2008. - С. 60-61.

13. Кобильнік К. До питання підвищення ефективності сприйняття інформації в навчальних курсах для дистанційної освіти / К. Кобильнік // Матеріали наук.-техн. конф. "Друкарство молоде", 24-26 березня 2009 р. - № 9. - Київ, 2009. - С. 76-78.

14. Костарєв Д. Метод підвищення ефективності автоматизованих навчаючих систем / Д. Костарєв, К. Кобильнік // Международный молодежный форум "Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке". Матеріали конференції, 30 березня - 1 квітня 2009 р. - № 13. - Харків, 2009 - С. 76.

Размещено на Allbest.ru

...