楊梅，張梅蕊，朱茜琳，張明鳴，靳露，張宏軒，焦慧敏

基于模型設(shè)計(jì)的上光機(jī)干燥控制系統(tǒng)研究

楊梅1,2，張梅蕊1,2，朱茜琳1,2，張明鳴1,2，靳露3，張宏軒1,2，焦慧敏1,2

（1.北京印刷學(xué)院，北京 102600；2.數(shù)字化印刷裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100005；3.廈門華廈學(xué)院，廈門 361024）

因干燥系統(tǒng)的控制參數(shù)具有時(shí)滯性、非線性而難于控制，文中嘗試一種更適用干燥對(duì)象的控制策略優(yōu)化控制效果。通過分析上光機(jī)水性上光油干燥的工作原理，建立包含印品傳輸速度和送風(fēng)量等因素的干燥模型，構(gòu)造上光機(jī)干燥系統(tǒng)仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)適合滯后被控參數(shù)的Smith預(yù)測及PID復(fù)合控制算法。依據(jù)水性上光油干燥需求設(shè)計(jì)以S7–1500為控制核心、碳系發(fā)熱板為熱源的干燥硬件系統(tǒng)，利用基于模型設(shè)計(jì)方法開發(fā)PLC的溫度控制程序。文中將Smith預(yù)測算法引入了上光干燥系統(tǒng)，使干燥系統(tǒng)溫度響應(yīng)達(dá)到超調(diào)量為0，無穩(wěn)態(tài)誤差，相對(duì)于PID控制大大縮減了調(diào)節(jié)時(shí)間。運(yùn)用模型設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于PLC的干燥控制系統(tǒng)，將基于碳系材料的發(fā)熱源應(yīng)用于水性上光油干燥系統(tǒng)中。Smith預(yù)測算法適用于帶有延遲因子的上光機(jī)干燥系統(tǒng)，在印刷干燥領(lǐng)域引入基于模型的設(shè)計(jì)方法，便于先進(jìn)控制策略在印刷包裝行業(yè)中的研究與開發(fā)。

上光機(jī)；干燥系統(tǒng)；基于模型設(shè)計(jì)；S7?1500

上光是印刷中一項(xiàng)重要的印后加工工藝，通過在印刷品上涂布上光涂料，經(jīng)物理、化學(xué)反應(yīng)在印品上形成牢固透明薄膜的過程[1]。上光技術(shù)增加了包裝印刷品的美觀性、耐用性和藝術(shù)性。目前，常用的上光方式有水性上光方式和UV上光。對(duì)于油墨和上光油，印刷領(lǐng)域常用的干燥方式有紅外干燥、熱風(fēng)干燥、UV干燥、微波干燥和射頻干燥等方式[2]，水性上光油和油性油墨采用紅外線、熱風(fēng)干燥的方式；UV上光油和UV油墨采用UV干燥的方式[3-4]。水性上光涂料因其無毒環(huán)保，已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑上光涂料，在上光復(fù)合領(lǐng)域占有重要一席，但因其干燥固化條件要求苛刻，使得水性上光機(jī)干燥系統(tǒng)的研發(fā)存在技術(shù)難點(diǎn)。李雪峰[1]嘗試將模糊PID應(yīng)用于基于紅外線的上光油干燥系統(tǒng)，李海超[4]設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的納米碳上光油固化控制系統(tǒng)。

基于模型設(shè)計(jì)（Model-Based Design, MBD）方法是一種開發(fā)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法。在整個(gè)項(xiàng)目開發(fā)過程中，包括需求分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測試等環(huán)節(jié)，始終以系統(tǒng)模型為核心，還可對(duì)其不斷進(jìn)行改進(jìn)?；谀Ｐ驮O(shè)計(jì)方法借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立系統(tǒng)仿真模型，利用代碼生成技術(shù)編寫嵌入式CPU的目標(biāo)可執(zhí)行文件，該設(shè)計(jì)方法很大程度地減輕了開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)。相對(duì)于傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)方法，具有開發(fā)周期短、研發(fā)效率高、代碼準(zhǔn)確度高、系統(tǒng)更安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人、汽車、冶金、電力電子等領(lǐng)域[5-10]。至今，將該設(shè)計(jì)方法用于印刷行業(yè)的相關(guān)文獻(xiàn)很少。

在上光過程中，由于干燥溫度、傳輸速度、風(fēng)量大小、印品材質(zhì)、幅寬、涂布厚度等不相同，使得干燥對(duì)象根據(jù)具體情況不同而發(fā)生改變，同樣令上光干燥系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)節(jié)變得復(fù)雜。傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)控制器的研發(fā)方法，影響了一些先進(jìn)控制算法在該領(lǐng)域的嘗試與應(yīng)用，制約了印刷干燥控制系統(tǒng)的發(fā)展；利用基于模型的設(shè)計(jì)方法可根據(jù)不同的干燥參數(shù)和工藝要求，快捷地改變控制器的控制原理及參數(shù)，能優(yōu)化干燥控制系統(tǒng)開發(fā)流程，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。文中研發(fā)水性上光油干燥控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，分析干燥系統(tǒng)的工作原理，利用模型設(shè)計(jì)方法開發(fā)適用于干燥溫度滯后參數(shù)的控制算法，并將其應(yīng)用于可編程邏輯控制（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)中。

1 上光干燥的工作原理

水性上光油上光機(jī)主要包含給紙、上光涂布?jí)汉?、輸送承印物、干燥固化、收紙等環(huán)節(jié)，見圖1，其中上光干燥系統(tǒng)作為上光機(jī)的重要環(huán)節(jié)，它的控制效果直接影響著印刷品的上光質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，上光干燥技術(shù)受到業(yè)界越來越多的關(guān)注[1]。光干燥系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)快速干燥、固化那些經(jīng)過上光涂布印品的上光涂料，滿足上光工藝要求，主要參照光澤度差值和附著牢度這2個(gè)參數(shù)，完成在印品表面均勻、牢固、平整地附著上透明薄膜[4]。

--圖1 上光機(jī)工作流程

1.1 上光干燥系統(tǒng)

上光干燥系統(tǒng)中包含承印物傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、干燥執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測機(jī)構(gòu)。通常傳送機(jī)構(gòu)由電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)帶完成；檢測機(jī)構(gòu)主要用于溫度檢測和電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)干燥系統(tǒng)中環(huán)境溫度的采集和電機(jī)運(yùn)行的檢測；干燥執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)干燥對(duì)象的不同而不同，水性上光涂料的上光機(jī)干燥系統(tǒng)通常采用紅外干燥和熱風(fēng)干燥相結(jié)合的方式，加熱源執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以是紅外材料、金屬電熱材料和碳系材料[4]，風(fēng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可采用恒速電機(jī)和調(diào)速電機(jī)。

文中設(shè)計(jì)的上光機(jī)中物料傳送帶由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過伺服驅(qū)動(dòng)器改變涂布材料的傳輸速度，如果上光機(jī)與印刷單元相連，則與前續(xù)的印刷速度相匹配?？刂破骺刂谱冾l器調(diào)節(jié)電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，改變干燥箱內(nèi)的熱風(fēng)速度。干燥箱內(nèi)安裝測量熱風(fēng)的溫度傳感器，將溫度信號(hào)傳遞給控制器，干燥控制器根據(jù)上光的工藝要求，調(diào)節(jié)碳發(fā)熱板的供電電壓，改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的表面供熱溫度，通過風(fēng)扇及保溫部件改變干燥箱中環(huán)境溫度，促使印刷品的光油快速干燥固化[11]。

1.2 碳系干燥源

碳系導(dǎo)電填料是添加型電熱復(fù)合材料導(dǎo)電物質(zhì)的一種，其中石墨烯、碳納米管和碳纖維等導(dǎo)電填料的電熱材料不僅具有良好的導(dǎo)電性，還具有很好的發(fā)熱性能，可以快速發(fā)熱[12-15]。陳新江[16]以碳材料加熱膜作為加熱核心，其熱效率達(dá)到98%。碳系導(dǎo)電填料因其良好的發(fā)熱特性被廣泛用于各類發(fā)熱產(chǎn)品，如取暖地板、電熱織物等[14-15]，而在印刷干燥領(lǐng)域的應(yīng)用很少。以碳系材料制成的發(fā)熱源作為上光機(jī)干燥源，相對(duì)于其他發(fā)熱源或固化材料具有無有毒氣體釋放、無明光釋放等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)工作人員的健康更好，對(duì)環(huán)境保護(hù)更有利；同時(shí)因其電熱原理和高發(fā)熱率對(duì)能源能高效利用，也便于節(jié)約更多的電能，大大減少了印刷上光的能量消耗。

上光干燥系統(tǒng)中發(fā)熱碳板的功率可由發(fā)熱板的面電阻和對(duì)其施加的電源電壓或電流計(jì)算得到。干燥箱內(nèi)所需能量不僅用于印刷品上光固化中水分的蒸發(fā)，還將消耗于干燥固化箱中排氣損失、散熱損失和傳送帶因溫度變化造成的熱量損失等[1]。干燥箱熱源提供的熱量要大于等于上光干燥箱中需要的熱量，通過干燥箱所需熱量可計(jì)算出系統(tǒng)要提供的發(fā)熱碳板數(shù)量。不同的上光材質(zhì)、涂布速度和干燥工藝，使得工作的發(fā)熱碳板數(shù)量與持續(xù)通電時(shí)間不同，需要根據(jù)具體上光復(fù)合的需求來調(diào)節(jié)。

1.3 上光質(zhì)量主要影響因素

上光機(jī)的干燥部分是上光系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)，干燥效果直接影響著上光固化質(zhì)量，而干燥箱中的溫度因素決定印刷品的干燥效果、上光復(fù)合效益。如果上光干燥溫度過高，涂層表面過熱易發(fā)黃，印品脆性變大，光澤度降低；干燥溫度過低，會(huì)造成光油不干，平滑性變壞，附著性差，甚至?xí)霈F(xiàn)印品黏手的情況。

印刷品的傳輸速度直接影響了上光工藝的速度。上光機(jī)根據(jù)印刷工藝要求可以在印刷單元后聯(lián)機(jī)工作，也可以單獨(dú)進(jìn)行上光涂布操作。待上光的印品傳輸速度可由前面的印刷單元綜合來定，也可單獨(dú)確定，不同的工作流程也決定了聯(lián)機(jī)上光和涂布上光的涂布量不同。傳輸速度過快，會(huì)造成印品受熱時(shí)間過短，上光涂料干燥不充分；傳輸速度過慢，使印品干燥過度，印品變脆。

上光機(jī)干燥系統(tǒng)中有吸風(fēng)電機(jī)和排風(fēng)電機(jī)，風(fēng)機(jī)間相互的協(xié)調(diào)工作使干燥箱中熱源產(chǎn)生的熱量流動(dòng)起來，均勻分布于干燥箱內(nèi)，將水分和溶劑抽出箱外，促進(jìn)承印物上光涂料的快速固化。送風(fēng)速度影響上光油復(fù)合的環(huán)境與反應(yīng)效果。

2 上光干燥控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

上光機(jī)的干燥部分是系統(tǒng)的重要組成，干燥箱的控制效果直接影響著上光復(fù)合的質(zhì)量。上光機(jī)干燥控制系統(tǒng)由溫度給定、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)等組成，見圖2，其中干燥溫度給定部分綜合了對(duì)系統(tǒng)影響較大的2個(gè)因素：上光承印物的傳輸速度和風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量。

圖2 上光機(jī)電熱干燥控制系統(tǒng)原理

2.1 干燥箱被控對(duì)象

在設(shè)計(jì)上光機(jī)干燥的控制系統(tǒng)前，首先分析被控對(duì)象的運(yùn)行特性，構(gòu)建干燥箱的數(shù)學(xué)模型。由于上光工藝、干燥箱機(jī)械結(jié)構(gòu)、承印物的不同，使得建立其詳細(xì)數(shù)學(xué)模型非常困難。上光機(jī)干燥系統(tǒng)通過改變碳加熱板的工作功率，配以風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，改變干燥箱中印刷品溫度，加速其固化復(fù)合過程，其主要控制參數(shù)是箱體中的空氣溫度。對(duì)于溫度這類大滯后的物理參數(shù)，控制領(lǐng)域通常用帶純滯后的一階慣性系統(tǒng)來模擬，見式（1）。

式中：m為系統(tǒng)增益；m為時(shí)間常數(shù)；為純滯后因子，單位為s。具體參數(shù)由干燥箱內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)、保溫措施、空氣流動(dòng)速度、電氣元件執(zhí)行速度等綜合決定，干燥箱內(nèi)部空間越大，需加熱的空氣量越大，散熱面積越大，純滯后因子越大。當(dāng)保溫措施越得當(dāng)、控制流動(dòng)速度越快、器件執(zhí)行速度越快，則環(huán)境溫度達(dá)到期望值越迅速，時(shí)間常數(shù)越小。采用工程中的飛升曲線進(jìn)行測試與機(jī)理建模，經(jīng)擬合得到被控對(duì)象的表達(dá)式見式（2）[17-18]。

文中干燥系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)過多次給干燥箱施以階躍溫度給定信號(hào)，記錄系統(tǒng)運(yùn)行的響應(yīng)曲線，取3個(gè)參數(shù)的平均值，得到m2.2、m80 s、50 s。

2.2 控制器Smith補(bǔ)償法

針對(duì)干燥系統(tǒng)被控對(duì)象的時(shí)滯性，采用Smith預(yù)估補(bǔ)償法來消除被控對(duì)象的延遲特性，使其等效被控制對(duì)象中不含有純滯后環(huán)節(jié)。通常Smith預(yù)估補(bǔ)償器復(fù)合原控制器來控制被控對(duì)象。比例積分微分控制算法（Proportion Integration Differentiation，PID）是控制領(lǐng)域中使用最廣泛、最有效的控制算法，文中為了對(duì)比PID與Smith預(yù)估補(bǔ)償器的控制效果，與Smith相復(fù)合的算法也采用的是PID，即Smith–PID復(fù)合算法[17]。純滯后因子與采樣周期的關(guān)系式為：

令采樣周期=0.01 s，則由式（3）計(jì)算可得=5 000。上光機(jī)干燥計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中被控對(duì)象為()，不含純滯后環(huán)節(jié)的被控對(duì)象為()。

Smith補(bǔ)償器的連續(xù)表達(dá)式為：

將控制算法用于數(shù)字CPU得到數(shù)字控制器，將其離散化得到Smith補(bǔ)償器的離散表達(dá)式為：

3 干燥系統(tǒng)仿真系統(tǒng)及運(yùn)行

3.1 上光機(jī)干燥仿真系統(tǒng)

上光機(jī)干燥系統(tǒng)的控制仿真見圖3，分別由溫度給定子模塊、控制子模塊和被控對(duì)象等模塊組成。干燥系統(tǒng)被控對(duì)象因上光工藝和干燥運(yùn)行環(huán)境的不同而發(fā)生變化，在設(shè)計(jì)仿真模型時(shí)，考慮到仿真系統(tǒng)的普遍適用性，對(duì)象的增益、時(shí)間常數(shù)及滯后時(shí)間等參數(shù)采用變量形式表示，以便根據(jù)具體情況改變被控模型。系統(tǒng)采用數(shù)字控制器與連續(xù)被控對(duì)象相結(jié)合的混合仿真系統(tǒng)運(yùn)行模擬試驗(yàn)，令仿真系統(tǒng)更加貼近實(shí)際運(yùn)行情況，而且模型化設(shè)計(jì)法對(duì)應(yīng)的執(zhí)行CPU采用的是可編程邏輯控制器，其中進(jìn)行數(shù)字化運(yùn)算，仿真系統(tǒng)的控制算法采用數(shù)字化表達(dá)，有利于后期PLC程序的實(shí)現(xiàn)。仿真系統(tǒng)采用的實(shí)驗(yàn)紙張尺寸為307 mm×420 mm，紙張定量為130 g/m2，印品傳輸速度最高為5 000張/小時(shí)，吹風(fēng)量最大為3 m3/min，干燥溫度設(shè)定最高溫度為90 ℃。

圖3 上光機(jī)干燥控制系統(tǒng)仿真圖

圖4 干燥系統(tǒng)溫度給定模塊仿真

圖5 干燥溫度與印品傳遞、送風(fēng)量的關(guān)系

3.2 干燥溫度給定子模塊

干燥系統(tǒng)的溫度給定值是根據(jù)具體的上光工藝、印品傳輸速度和送風(fēng)速度而定的，仿真系統(tǒng)的溫度給定模塊設(shè)計(jì)見圖4。該仿真系統(tǒng)綜合考慮了上光機(jī)的送風(fēng)量與傳輸速度，根據(jù)相互關(guān)系（圖5），在不同的送風(fēng)量和傳輸速度情況下得到干燥系統(tǒng)的溫度期望值。通常隨著送風(fēng)量的增加，印品傳輸速度的增加，干燥箱的給定溫度增加，如系統(tǒng)中，當(dāng)印品傳輸速度為1 000張/小時(shí)、風(fēng)量為1 m3/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的參考干燥溫度為70 ℃；當(dāng)傳輸速度為2 000張/小時(shí)、風(fēng)量為2 m3/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的參考干燥溫度為80 ℃。

3.3 仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

運(yùn)行如圖3仿真系統(tǒng)，采用龍格庫塔法定步長仿真算法，得到上光機(jī)干燥控制系統(tǒng)在控制器分別為數(shù)字PID控制算法和Smith預(yù)測控制算法下系統(tǒng)的干燥溫度響應(yīng)曲線，見圖6。采用試湊法，根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)反復(fù)調(diào)試數(shù)字PID的控制參數(shù)，最后得到系統(tǒng)在超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差等方面都比較理想的控制參數(shù)（P0.7、I0.000 1、D0），為對(duì)比2種控制算法的控制效果，Smith–PID中的PID控制參數(shù)與數(shù)字PID的控制參數(shù)一致。由圖6可得，采用數(shù)字PID的干燥系統(tǒng)溫度參數(shù)超調(diào)量為38%，而復(fù)合了Smith預(yù)測環(huán)節(jié)的干燥系統(tǒng)溫度響應(yīng)沒有超調(diào)量，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間也大大縮短，系統(tǒng)在300 s時(shí)就達(dá)到了無靜差。相對(duì)于單純的數(shù)字PID，含Smith補(bǔ)償器復(fù)合數(shù)字PID對(duì)滯后對(duì)象的控制，效果改進(jìn)了很多。Smith補(bǔ)償器將被控對(duì)象的純滯后特性用控制算法的形式補(bǔ)償在數(shù)字PID的反饋通道，Smith與PID 2種控制算法結(jié)合成Smith–PID控制器，作用于具有純滯后性的被控對(duì)象上，使得系統(tǒng)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)中不含有滯后環(huán)節(jié)，從而在系統(tǒng)響應(yīng)中消除了純滯后因子對(duì)系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間的影響。

圖6 上光機(jī)干燥控制系統(tǒng)溫度響應(yīng)曲線

4 基于模型設(shè)計(jì)的S7-1500干燥系統(tǒng)

傳統(tǒng)的可編程CPU控制系統(tǒng)開發(fā)過程要求設(shè)計(jì)人員具有良好的軟件開發(fā)能力，系統(tǒng)需在現(xiàn)場被控對(duì)象中運(yùn)行調(diào)試其控制參數(shù)，調(diào)試中具有不可估計(jì)的損失。基于模型設(shè)計(jì)方法開發(fā)的CPU系統(tǒng)軟件是基于實(shí)際系統(tǒng)的仿真模型運(yùn)行正常的前提才可以實(shí)施，控制器的設(shè)計(jì)與參數(shù)調(diào)節(jié)更加貼合實(shí)際系統(tǒng)，極大地縮減控制系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試周期。由于控制器的參數(shù)調(diào)節(jié)結(jié)果在仿真環(huán)節(jié)中容易得到，建立的模型越接近實(shí)物系統(tǒng)，CPU控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果就越優(yōu)良，由于參數(shù)不合理造成的危害可能性就更小，大大提高了系統(tǒng)安全性。第2、3節(jié)中干燥模型建立與系統(tǒng)仿真，為基于模型設(shè)計(jì)做好理論分析與系統(tǒng)開發(fā)依據(jù)，為支持該設(shè)計(jì)方法的CPU，即PLC的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供控制算法的原型。

4.1 基于PLC的干燥控制系統(tǒng)

上光機(jī)干燥系統(tǒng)采用西門子S7–1500為控制核心，配以電源、CPU、數(shù)字量輸入（DI）、數(shù)字量輸出（DQ）、模擬量輸入（AI）、模擬量輸出（AQ）等環(huán)節(jié)，PLC系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與觸摸屏人機(jī)界面（Human Computer Interface, HMI）進(jìn)行通訊，可對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和初始運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，詳細(xì)見圖7。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上光干燥系統(tǒng)中的箱體溫度閉環(huán)控制、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、傳送帶運(yùn)動(dòng)控制和安全監(jiān)測故障處理等功能。S7–1500的CPU1511–1不僅支持傳統(tǒng)的梯形圖（Ladder Diagram，LAD）編程，同時(shí)支持結(jié)構(gòu)化控制語言（Structured Control Language, SCL）編程。SCL是符合國際IEC61131–3標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本，能夠支持輸入與輸出信號(hào)之間更復(fù)雜的邏輯關(guān)系，接近高級(jí)語言的表達(dá)形式，有利于先進(jìn)控制算法的實(shí)現(xiàn)，為采用模型化設(shè)計(jì)方法奠定了編程語言基礎(chǔ)。

圖7 以s7–1500為控制核心的印刷機(jī)系統(tǒng)硬件框圖

4.2 模型設(shè)計(jì)法的SCL代碼

上光機(jī)干燥控制系統(tǒng)采用基于模型的設(shè)計(jì)方法。首先成功運(yùn)行上光機(jī)干燥仿真系統(tǒng)，然后將控制算法轉(zhuǎn)換成S7–1500可運(yùn)行的控制代碼，接著在上光機(jī)干燥系統(tǒng)中進(jìn)行干燥箱溫度控制，實(shí)現(xiàn)上光油干燥過程。由實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)象與上光干燥品質(zhì)來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性及效果，并進(jìn)行修正與系統(tǒng)改進(jìn)。該系統(tǒng)選擇的目標(biāo)集成開發(fā)環(huán)境IDE是支持西門子PLC的編譯器，以便生成S7–1500的運(yùn)行代碼。為了避免代數(shù)環(huán)問題，將Smith控制算法拆成2個(gè)部分，一部分是數(shù)字PID仿真子模塊，一部分是消除純滯后的補(bǔ)償模塊，命名為Smith預(yù)測控制器，并且在反饋環(huán)節(jié)添加一個(gè)滯后環(huán)節(jié)。

干燥控制仿真系統(tǒng)中生成的Smith控制算法雖然是基于離散系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，但輸出的碳加熱板的控制量幅值為連續(xù)形式，而對(duì)應(yīng)上光機(jī)PLC干燥控制系統(tǒng)中的輸出控制量將作用于中間繼電器，需要調(diào)整輸出形式。干燥系統(tǒng)通過繼電器的通、斷控制碳加熱源的工作功率，以調(diào)節(jié)干燥箱熱空氣的溫度。根據(jù)S7–1500上光機(jī)干燥系統(tǒng)的硬件配置，調(diào)整仿真系統(tǒng)Smith控制量的輸出形式為PWM脈沖，與PLC的DQ輸出形式相一致。為了使仿真系統(tǒng)代碼中控制量的數(shù)據(jù)類型與PLC運(yùn)行系統(tǒng)輸出相匹配，在仿真系統(tǒng)和PLC編譯環(huán)境中需做一些設(shè)置，即在仿真系統(tǒng)中添加一個(gè)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊。

4.3 S7–1500控制軟件

對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行，調(diào)節(jié)控制參數(shù)直至試驗(yàn)結(jié)果符合干燥需求，運(yùn)行控制器子模塊運(yùn)行代碼編輯功能，仿真系統(tǒng)生成相應(yīng)的SCL文件，并對(duì)其檢查和測試。在S7–1500的開發(fā)環(huán)境載入SCL文件，根據(jù)軟件系統(tǒng)整體性要求對(duì)調(diào)入的文件進(jìn)行修改，將其生成的Smith算法FB函數(shù)塊，在程序塊OB中進(jìn)行調(diào)用，與其他LAD編程代碼匯合，實(shí)現(xiàn)上光機(jī)的干燥系統(tǒng)控制，PLC控制干燥箱的工作流程見圖8。

圖8 上光機(jī)干燥系統(tǒng)流程

5 結(jié)語

文中以碳系發(fā)熱板作為水性上光油固化的熱源，相對(duì)于傳統(tǒng)干燥方式具有更節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢，其高發(fā)熱率會(huì)為印刷業(yè)節(jié)約更多的能源。上光油干燥被控對(duì)象是受干燥工藝、上光材質(zhì)綜合影響的時(shí)滯性對(duì)象，Smith–PID控制算法較PID算法更適用于水性上光干燥控制，更具有針對(duì)性。模型設(shè)計(jì)方法使復(fù)雜算法在上光油干燥PLC控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)更具可靠性，控制算法的實(shí)現(xiàn)和參數(shù)的調(diào)節(jié)更加方便。文中通過建立涵蓋較多因素的被控對(duì)象，使其更接近實(shí)際干燥過程，在此平臺(tái)設(shè)計(jì)控制算法也更具有工程意義。將模型設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于印刷干燥研究領(lǐng)域，可以提高研發(fā)效率，促使復(fù)雜的控制策略便捷地應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)，增加上光機(jī)干燥的控制精度與速度。

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Drying Control System of Glazing Machine Based on Model Design

YANG Mei1,2, ZHANG Mei-rui1,2, ZHU Xi-lin1,2, ZHANG Ming-ming1,2,JIN Lu3, ZHANG Hong-xuan1,2, JIAO Hui-min1,2

(1. Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing 102600, China; 2. Beijing Key Laboratory of Digitalized Printing Equipment, Beijing 100005, China; 3. Xiamen Huaxia University, Xiamen 361024, China)

The work aims to propose a control strategy more suitable for drying object to optimize the control effect aiming at the problem that the control parameters of drying system are time-delayed, nonlinear and difficult to control. The working principle of water-based glazing machine drying system was analyzed to establish a drying model including factors such as printing speed and air supply, construct a simulation platform for the drying system of the glazing machine, and design Smith-PID algorithm suitable for the time-delayed controlled parameters. According to the drying requirements of water-based glazing oil, a drying hardware system with S7-1500 as the control core and carbon heating plate as heat source was designed, and a PLC temperature control program was developed by the model-based design method. The Smith prediction algorithm was introduced into the glazing drying system to make the temperature parameter of the drying system reach an overshoot of 0, without steady state error, which greatly reduced the adjustment time compared to PID control. The model design method was used to design and realize the PLC-based drying control system, which was applied to the water-based glazing process based on heat source of carbon materials. Smith prediction algorithm is suitable for glazing machine drying system with delay factor. The introduction of advanced model-based design methods in the field of printing and drying can improve the efficiency and safety of system development, and facilitate the research and development of advanced control algorithms in the printing and packaging industry.

glazing machine; drying system; model-based design; S7-1500

TS803.9

A

1001-3563(2022)17-0116-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.015

2021–11–09

北京印刷學(xué)院基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（Ea202003）；北京印刷學(xué)院重點(diǎn)教改項(xiàng)目（22150121002/008）；北京印刷學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目（Ee202206）；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（22150122007）；北京印刷學(xué)院橫向項(xiàng)目（D–2013–52）；北京印刷學(xué)院學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（21090122002）

楊梅（1977—），女，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)橛∷C(jī)控制系統(tǒng)及干燥控制。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋