Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава I. ОБЩАЯ МОДЕЛЬ И СТРАТЕГИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫМ 27
1.1. функциональная модель 27
1.2. Стратегия управления 36
1.3. Структура управления 49
1.4. Основные результаты главы 54
Глава 2. СТРУКТУРНО-МАТИУІАТИЧЕСКСЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ 56
2.1. Общие принципы моделирования 56
2.2. Модели типовых соединений
2.2.1. Участок ленты с учетом упруго-пластических свойств бумаги 66
2.2.2. Рулон с участком ленты 68
2.2.3. Участок ленты с плавающим валиком 71
2.2.4. Соединение участков ленты 77
2.2.5. Регулируемые участки приводки 82
2.3. Модель лентопроводящей системы 87
2.3.1. Лентопитавдее устройство 87
2.3.2. Лентопроводящее устройство 92
2.3.3. Лентовыводное устройство 95
2.4. Основные результаты главы 99
Глава 3. МЕТОДЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ И ДВИЖЕНИЕМ БУМАЖНОЙ ЛЕНТЫ 101
3.1. Стабилизация и регулирование натяжения 101
3.2. Получение информации по контрольным меткам на ленте 109
3.3. Общие принципы импульсного управления движением ленты ИЗ
3.4. Управление совмещением красок 115.
3.5. Управление поперечной разрезкой 125
3.6. Основные результаты главы 129
Глава 4.
4.1. Одноемкостная модель красочного аппарата 131
4.2. Непрерывная многоемкостная модель красочного аппарата 139
4.3. Дискретная модель красочного аппарата 158
4.4. Особенности моделирования згвлажнящего аппарата 169
4.5. Основные результаты главы 176
Глава 5. МЕТОДЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ КРАСКИ И УВЛАЖНШСЩЕГО РАСТВОРА 178
5.1. Общие принципы построения непрерывных систем... 178
5.2. Общие принципы построения цифровых систем 189
5.3. Комбинированное и адаптивное управление 202
5.4. Повышение точности процесса при автоматическом регулировании 210
5.5. Основные результаты главы 214
Глава 6. МЕТОДЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ОФСЕТНОГО ПЕЧАТНОГО ПРСЩССА 217
6.1. Общие принципы оптимизации 217
6.2. Получение квазистационарной модели печатного процесса 222
6.3. Математические условия оптимизации подачи краски
и увлажняющего раствора 227
6.4. Методы формирования движения к экстремуму 239
6.5. динамическая модель и комплексная система управления офсетным печатным процессом 242
6.6. Основные результаты главы 253
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 255
ЛИТЕРАТУРА 260
ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение к работе
В условиях развитого социалистического общэства, развертывания научно-технической революции всемерно возрастает роль и объем информации. Этот рост сопровождается диалектически связанными процессами дифференциации и интеграции, происходящими в системе массовой информации. С одной стороны, идет углубленное развитие и совершенствование отдельных звеньев этой системы, с другой стороны, усиливается тенденция взаимопроникновения технических средств и методов представления информации. Полиграфия, как звено всеобщей системы информации, имеет присущие ей особенности, связанные с фиксированным характером печатной информации и возможностью свободного обращения к ней без использования каких-либо дополнительных средств. Вместе с тем печатные издания должны удовлетворять таким общим требованиям, как оперативность и высокое качество представления информации.
В важнейших документах КПСС [90] подчеркивается необходимость более полного удовлетворения потребностей населения и народного хозяйства в печатной продукции и повышения качества полиграфического исполнения изданий. Указывается, что средством решения этой задачи является создание системы эффективных машин и автоматизированного оборудования. Намечается, в частности, увеличить выпуск офсетных печатных машин [II9J .
Анализ наиболее распространенных в настоящее время способов печати показывает [76 ] , что способ офсетной плоской печати в последние 10-15 лет имеет наиболее высокие темпы развития по сравнению с другими способами печати, что объясняется технико-экономическими преимуществами способа и лучшими его изобразительными возможностями. Этим видом печати в настоящее время могут релродуциро - 5 ваться практически любые оригиналы с достижением высокого качества полиграфического исполнения. В ближайшие 10 лет в отечественной полиграфии предполагается существенное увеличение удельного веса офсетной печати для книжной, журнальной и газетной продукции [l20] . Дальнейшее развитие офсетного способа печати будет зависеть от успешного внедрения рулонных печатных машин, применение которых обеспечивает более высокие экономические показатели не только при больших, но и сравнительно малых тиражах продукции. Применение таких машин в отечественной полиграфической промышленности непрерывно расширяется. Основными тенденциями рулонной офсетной печати, отражающими объективные тенденции развития техники и технологии вообще, являются:
- совершенствование рулонных печатных машин, возрастание их скоростей и необходимость повышения их эффективного использования;
- усложнение технологии печати и необходимость более точного соблюдения технологических режимов;
- повышение требований к качеству бумаги и краски и необходимость экономии энергии и сырья;
- рост квалификации обслуживающего персонала и необходимость повышения безопасности и качества труда.
Действие указанных факторов приводит к возрастанию роль управления печатным процессом, которое становится необходимым условием нормального функционирования сложного и многофакторного технологического процесса, каковым является рулонная офсетная печать. Печатный процесс в рулонных ротационных печатных машинах основан на взаимодействии в контактной зоне печатного аппарата бумажной ленты, перемещающейся с большой скоростью через печатную секцию, со слоем краски на форме, проходящим через разветвленную систему валиков и цилиндров. В способе офсетной плоской печати картина усложняется подачей еще одного компонента - увлажняющего раствора, необходимого для формирования устойчивых пробельных элементов на форме и создания оптимального водно-красочного баланса, обеспечивающего получение высокого качества оттиска.
Сложное физико-химическое взаимодействие этих компонентов должно быть управляемым, чтобы обеспечить надлежащее качество печатной продзгкции. В общем случае это управление является комбинированным и подразумевает, во-первых, стабилизацию физико-химических свойств рабочих агентов (определенное натяжение и влажность бумажной ленты, вязкость краски, рН увлажняющего раствора) и, во-вторых, строгое и оптимальное количественное дозирование подачи этих компонентов (подача бумаги, краски и увлажняющего раствора). При многокрасочной печати картина взаимодействия еще более усложняется, т.к. в печатный аппарат поступает запечатанная лента, и при наложении нового оттиска требуется точное совмещение красочных изображений и соблюдение цветового тона. При этом управление должно основываться на результатах этого взаимодействия. При стабилизации физико-химических свойств рабочих агентов печатного процесса количественное управление материальными потоками становится одним из важных факторов, определяющих качество тиражной продукции.
Параллельно с возрастанием роли управления интенсивно развивается автоматизация функций печатника в операциях управления печатным процессом.
Значение автоматизации управления печатным процессом особенно возрастает в связи с ростом скоростей печатания. Автоматизация повышает идентичность тиражных оттисков, способствует уменьшению отходов бумаги и повышению коэффициента использования оборудования в результате сокращения технологических простоев.
В этой области совершенствования печатного процесса, по-видимому, наступает переломный период, когда от решения отдельных част - 7 ных задач будет осуществлен переход к комплексной автоматизации процесса в целом.
Краеугольным камнем решения задачи комплексной автоматизации является изучение динамических свойств печатного процесса как объекта автоматического управления и обобщение результатов исследования в форме математической модели. Математическая модель должна послужить основой для формулирования общих принципов автоматического управления печатным процессом.
В указанных условиях принципиально важным является решение проблемы, отражающей совокупность следующих вопросов:
- теоретическая постановка задачи автоматического управления печатного процесса в целом;
- разработка математической модели печатного процесса как объекта комплексного управления;
- разработка общей стратегии управления печатным процессом;
- разработка методов управления, реализующих общую стратегию.
Особенно актуальной эта проблема является для рулонной офсетной печати, выражающей наиболее прогрессивные тенденции развития печатной техники и технологии.
Постановка проблемы вытекает из современной потребности комплексной автоматизации печатного процесса, однако ее решение основывается на предшествующих научных работах по исследованию физико-химических явлений в процессах печати по изучению динамики отдельных устройств рулонных ротационных печатных машин, по разработке методов автоматического управления и техники автоматизации печатного процесса. Ниже приводится краткий обзор научных работ в указанных направлениях, в том числе и работ, выполненных автором диссертации.
Физико-математические основы движения натянутого ленточного материала рассмотрены в целом ряде исследований, относящихся как непосредственно к лентопроводящим системам рулонных ротационных пе - 8 чатных машин, так и к другим техническим устройствам (движение бумажного полотна в бумагоделательных машинах, намотка эластичных лент и нитей, холодная прокатка металла и т.п.). Результаты этих исследований в той или иной мере могут быть использованы для математического моделирования лентопроводящей системы.
При изучении взаимодействия между лентой и проводником рассматриваются два вопроса: условия контактной передачи тягового усилия от ведущего проводника к ленте, а также воздействие натянутой ленты на ведомый проводник с учетом его собственной динамики. В работах А.Д. Шустова [127] , И.И. Балога [12] и др. показано, что передача тягового усилия от проводника к ленте осуществляется через силу трения, возникащую в двух основных случаях: при осуществлении давления в зоне контакта пары проводящих цилиндров и при действии радиальной составляющей силы натяжения в случае охвата вала лентой. В том и другом случаях необходима определенная дуга контакта ленты с проводником. При отсутствии проскальзывания со стороны набегавдей ветви имеется дуга покоя, в которой скорость ленты равна скорости проводника. На остальной части дуги контакта скорость ленты постепенно увеличивается к точке ее сбегания; при этом увеличивается деформация ленты и ее натяжение. В работе СИ. Рыбникова QI06J подробно изучен общий случай вращательного и поступательного движения ведомого проводника, находящегося под воздействием движущейся натянутой ленты и испытывающего при своем движении сопротивление, создаваемое силами сухого и вязкого трения. От этого общего случая при соответствующих допущениях может быть осуществлен переход к частным случаям движения направляющего и плавающего валиков лентопроводящей системы, что было проделано автором в работе [эз] .
Рулон, с которого разматывается лента, также может рассматриваться как частный случай лентопроводника с учетом ряда особенное - 9 тей: I) рулон является крайним элементом лентопроводящей системы; 2) к рулону в процессе разматывания может быть приложен как движущий, так и тормозной моменты, а также возмущающий момент, обусловленный неидеальностью формы рулона; 3) радиус и момент инерции рулона значительно изменяются в процессе разматывания. Последнее обстоятельство дает основание применить к исследованию динамики рулона теорию движения тел переменной массы И.В. Мещерского 117 . Детальное исследование механики разматывания рулонов идеальной и неидеальной формы осуществлено Б.В. Куликовым в работе 73 . Известные закономерности дали возможность автору данной диссертации разработать структурно-математическую модель рулона как в процессе разматывания, так и при малых изменениях радиуса 193, 59 .
Важной особенностью физико-механического процесса, протекающего в лентопроводящей системе, является деформация бумажной ленты в процессе ее движения через ведущие и ведомые элементы. Это обстоятельство было отмечено автором еще в 1958 г.х Глубокое и обстоятельное исследование процессов деформации бумажного полотна применительно к бумагоделательным машинам содержится в монографии А.Д. Шустова 1127 . Имеются сведения об аналогичных исследованиях в других отраслях техники и за рубежом 115 . В ряде работ 31,41,59 автором дан вывод уравнения участка движущейся бумажной ленты в рулонной ротационной печатной машине с учетом действия типовых эксплуатационных возмущений (изменение натяжения на входе, перестановка регистрового валика, изменение фазы и скорости рабочего цилиндра); изучена связь между последовательно расположенными участками лентопроводящей системы, показано влияние на процессы деформации ведомых направляющих валиков.
В целом ряде работ 169, 127 и др. бумага рассматривается как упругопластическая среда. Для математического описания поведения бумажного полотна используется неупругая модель Пойтинга-Томсона и другие модели. Следует, однако, специально оговорить условия проявления реологических свойств в движущейся бумажной ленте:
1) деформация ленты определяется условиями ее замещения (поступления - расхода); если эти условия неизменны, то в ленте возможно проявление релаксации, но не последействия - ползучести;
2) явления релаксации не успевают сколько-нибудь заметно проявиться из-за малого промежутка времени нахождения ленты в печатной машине; следовательно, участок ленты надо рассматривать как упругое тело (с введением поправочного динамического коэффициента).
В этой связи рассмотрение явлений ползучести в замещаемой бумажной ленте в работах ІІІ5, 108 и др] является неправомерным.
Математическое описание рулона, находящегося под действием периодической возмущающей силы, и плавающего валика (амортизатора), предназначенного для сглаживания колебаний, положено в основу исследования лентопитающего устройства (ЛПУ). Основополагающей работой в этом направлении была диссертация Б.В. Куликова 73 в 1952 г. В том же плане спустя 17 лет была выполнена диссертационная работа С.С. Селезнева 107 . Главный итог этих исследований сводится к заключению, что рулон, амортизатор и бумаг онаправляю-щие валики образуют колебательную систему с собственной частотой, где С - жесткость подвески плавающего валика, а ГПпр - приведенная масса амортизатора, рассчитываемая с учетом моментов инерции валиков и переменного момента инерции рулона. Исходя из этой модели даются рекомендации для выбора параметров лентопитающего устройства. По существу принятой модели считаем необходимым сделать два замечания, вытекающие из анализа,проведенного автором 93, 59 :
1. Основной характер колебательных процессов, протекающих в ЛПУ, определяет не система "рулон-амортизатор", как это принято в указанных работах, а система "рулон-лента", характеризуемая собственной частотой колебаний и весьма малой степенью демпфирования; в ней возможно возникновение колебаний даже в случае идеальной формы рулона.
2. Плавающий валик (амортизатор) образует с участком ленты замкнутую систему, динамические свойства которой оказывают решающее влияние на поведение основной системы "рулон-лента". Разумеется, влияние плавающего валика нельзя свести к алгебраическому уравнению "баланса скоростей", как это принято в указанных работах.
Следовательно, математическая модель ЛШ должна включать комплекс динамических звеньев (рулон, амортизатор, направляющие валики), но связи между этими звеньями осуществляются через участки упругой ленты, обладающей собственной динамикой движения.
Еще одно направление опубликованных работ относится к исследованию движения бумажной ленты между секциями печатной машины с целью определения условий совмещения технологических операций (совмещение красок и изображении, фальцовки и разрезки ленты и т.п.). На основе уравнения участка ленты Л.В. Фельдман, пользуясь графоаналитическим приемом, установил характер связи между натяжением и приводкой красок ІІІ8 . Несколько ранее Г.Б.Блюм-бергполучила зависимость смещения линии рубки относительно отпечатанного изображения при изменении натяжения 19 .В учебном пособии Гзіі автор вывелуравнения объекта регулирования регистра (приводки) при типовых управляющих воздействиях (перестановка регистрового валика, изменение углового положения и скорости рабочего цилиндра). Кроме того, было указано на свойство листоре-зального устройства неограниченно накапливать ошибку при наруше - 12 ний синхронности движения ленты и ножевого барабана. В последующей работе 41 автором был дан принпдпиальный анализ приводки красок в многосекционной машине, в результате которого указана необходимость оптимального сочетания способов управления (изменение пути ленты или фазы цилиндра) со способами измерения несовмещения (по предыдущей или базовой метке).
В работе І 84 В.П. Митрофанов предложил аналитический метод определения так называемого "условного несовмещения" красок путем прямого интегрирования закона изменения деформации. Несовмещение красок определяется путем вычитания "условных несовмещений" с учетом временного сдвига. Этот метод нашел отражение в учебнике А. А. Тюрина по печатным машинам Біа . Следует заметить,что указанный метод не дал каких-либо новых результатов по сравнению с известными из работ &І8,19,31,411 . Кроме того, вывод основного дифференциального уравнения базируется на формальном предположении, что смещение метки тем больше, чем дальше отстоит метка от печатного аппарата, по направлению к которому она движется р5, с. 2Щ , что не соответствует физической картине процесса.
В работах автора 93, 59 выведено общее математическое выражение, связывающее взаимное положение точек оттиска и рабочего цилиндра при движении ленты. Из этого уравнения следует, что несовмещение одноименных точек может возникать вследствие искажения размеров изображения, а также вследствие сдвига изображения на ленте относительно рабочего цилиндра. Дана интерпретация уравнения в двух практически важных случаях: при совмещении красок и при совмещении линии рубки с отпечатанным изображением. На основе этой теории построена структурно-математическая модель ленто проводящей системы для многосекционной печатной машины.
Сложные физико-химические явления, связанные с переносом и делением красочных слоев, движением жидкости во влажном материа - ІЗ ле, взаимодействием краски и увлажняющего раствора на форме, передачей краски на резину и с резины на бумагу, являются предметом изучения теории печатных процессов. Большую роль в разработке теории, в которой печатный процесс рассматривается на основе физико-химических закономерностей, сыграли работы советских ученых П.А. Ребиндера, К.В. Тира, Л.А. Козаровицкого, П.А. Лопряду-хина, B.C. Лапатухина, Б.Н. Шахкельдяна и др.
Как отмечает проф. Л.А. Козаровицкий Г701 , подавляющее число исследований печатного процесса посвящено изучению механизма послойного деления краски между контактными поверхностями. Разработано большое число уравнений, моделирующих перенос краски. В одной из теоретических моделей Ю.М. Овчинникова 39 получено предельное значение коэффициента переноса между двумя гладкими не впитывающими поверхностями, равное 0,5. Как показывают многочисленные экспериментальные исследования (исследованы различные материалы), именно такое расщепление краски имеет место между красочными валиками 83 . Значение коэффициента переноса между печатающей и запечатываемой поверхностями зависит от многих факторов и может меняться в широких пределах, однако установлено, что при косвенном офсетном переносе большая часть красочного слоя остается на печатающей поверхности, т.е. коэффициент переноса меньше 0,5 70 .
Одной из важнейших проблем офсетной печати является проблема увлажнения печатных форм. Необходимость увлажнения пробельных элементов изображения на печатной форме, наряду с подачей краски на ее печатающие элементы, обусловлено, как известно, самим принципом плоской печати. Однако, как указывает проф. B.C. Лалатухин 76 , "совместное функционирование этих двух процессов при печатании и использование в них материалов - антагонистов по своей физической природе - порождает ситуации, при которых эти материалы начинают определенным образом взаимодействовать друг с другом". Среди нежелательных явлений, сопровождающих увлажнение формы, отмечаются 76 : эмульгирование краски при чрезмерном увлажнении и "тенение" формы при недостаточном увлажнении. При эмульгировании краски снижается интенсивность и нарушается идентичность оттисков, а в случае многокрасочной печати происходит изменение колористических свойств. По разным данным 142 для различных условий содержание влаги в краске может достигать 30-70$; при этом возникают указанные нарушения печатного процесса.
Таким образом, в итоге изучения физико-химических явлений могут быть выявлены такие важные константы печатного процесса, как коэффициенты расщепления красочного слоя, коэффициенты передачи (переноса) краски и влаги на форму, резиновое полотно и бумагу, коэффициенты взаимопроникновения краски и влаги и т.п. Пользуясь указанными константами, а также принимая во внимание сложившуюся структуру и конструктивные параметры красочных и увлажняющих аппаратов можно строить формальное математическое описание этих объектов, т.е. разрабатывать их математические модели.
В работах ряда советских и зарубежных ученых выявились различные подходы к математическому описанию красочных аппаратов. Так, в работах М.Г. Морозова 85 , К. Милла \&з\ , Р. ЗДера ІІ5І в основу расчета положена система алгебраических уравнений, отражающая сложение и деление красочных слоев в контактных зонах. Использование этих уравнений дает возможность решать статическую задачу распределения краски вдоль красочного аппарата, а также динамическую задачу передачи слоев краски на форму и оттиск; причем для решения динамической задачи предложено рассматривать системы алгебраических уравнений, составленных для ряда последовательных циклов. Учитывая длительность установления стационарного режима, составляющую от нескольких десятков до нескольких сотен циклов, можно судить о большой трудоемкости связанных с этим методом вычислительных работ. Использование цифровых вычислительных машин открывает новые перспективы указанному методу.
В работе Г.А. Алексеева 9 предложена модель красочного аппарата, основанная на рассмотрении операций расщепления отдельных объемов краски на множество дискретных полосок и образования из них сплошного неравномерного слоя путем суммирования. Математическая модель красочного аппарата представляется в матричной форме, а ее преобразование осуществляется методами векторной алгебры. Трудоемкость этих вычислений такова, что также требуется применение вычислительной техники, однако этот путь не исследуется.
В работах автора диссертации, которые проводились совместно с СП. Вартаняном и В.Г. Тростянским [26,25,1141 , предложен принципиально иной подход к математическому описанию красочных и увлажняющих аппаратов, основанный на методе структурно-математического моделирования. Красочный (или увлажняющий) аппарат рассматривается как динамическая система, образованная совокупностью валиков и цилиндров и преобразующая входное воздействие (непрерывные или дискретные порции краски или увлажняющего раствора) в пе-ременную по времени толщину промежуточных и выходных слоев. В основу математического описания положена система разностных или дифференциальных уравнений, адекватно отражающих структуру красочного аппарата и динамические процессы, протекающие в его звеньях. Переходная характеристика красочного аппарата рассматривается как естественная реакция этой модели на различные внешние воздействия (подачу краски, рельеф формы и т.п.).
Разработке принципов математического моделирования печатного процесса уделяется все больше внимания как отечественными, так и зарубежными научно-исследовательскими организациями 133, 150 . Роль математических моделей особенно возрастает при разработке
АСУ ТП. Здесь математические модели выступают как необходимые составные части алгоритмов контроля и управления печатными процессами.
Так, известно 100, 129, 133 , что в научно-исследовательском институте GATP /США/ ведутся работы по математическому моделированию однокрасочной печатной машины. В программе ЭВМ заложено математическое описание, связыващее между собой управляемые факторы печатного процесса (подачу краски и увлажняющего раствора, скорость печатания, давление в печатной паре, липкость краски), возмущающие факторы (отклонение величины рН увлажняющего раствора, нагревание частей машины, колебания температуры и влажность воздуха в цехе, изменение свойств бумаги), параметры состояния (толщина слоя краски, степень увлажнения формы) и показатели качества печатной продукции (оптическая плотность оттисков, относительная площадь растрового поля, локальные дефекты: марашки, отмарывание, размытые участки). Модель может работать в двух режимах: предварительной настройки и печатания. В последнем случае запрограммировано три вида работ: низкого, среднего и высокого качества. Оператор управляет моделью с помощью телетайпа. Указанная упрощенная модель предназначена для обучения и научно-исследовательских целей. Проводятся эксперименты по созданию с помощью дШ полной модели печатной машины. Когда это будет сделано, станет возможным ее использовать непосредственно для автоматического управления печатным процессом. Указанная разработка построена, по-видимому, на установлении статических регрессионных зависимостей в печатном процессе. Подобные модели описаны в отечественной литературе 8, 13 и в зарубежных публикациях 143 .
При управлении процессом в реальном масштабе времени большую роль играет изучение динамических явлений. Автором разработана динамическая модель системы подачи краски в печатной машине І45 .
Эта модель построена на базе AIM. Вначале модель была отлажена на совпадение с реальными динамическими характеристиками печатной машины на различных переходных режимах (с учетом масштаба времени): при уменьшении и увеличении подачи краски, при изменении скорости печатания, при отключении натиска и пр. Затем к модели печатной машины была подключена модель системы автоматического регулирования подачи краски. Был осуществлен выбор параметров настройки регулятора, удовлетворяющий условию оптимального протекания процесса регулирования 96, 45 . Разработан и опробован ряд других моделей печатного процесса 33, 36-39 .
Помимо целей исследования и обучения, математические модели печатного процесса, как уже указывалось, могут быть непосредственно использованы в системах автоматического управления. Такая возможность рассмотрена автором в монографии 59 , где описан принцип действия системы автоматического управления с моделью, самонастраивающейся по фактическим характеристикам печатного процесса.
Научное исследование и математическое описание печатного процесса является одним из необходимых условий успешного решения проблемы его автоматизации. Другим важным условием служит обобщение опыта отечественной промышленности, научно-исследовательских институтов, а также зарубежных фирм в области развития технических средств автоматизации, применяемых в печатных процессах. Этим вопросам посвящено относительно небольшое число книг и учебных пособий.
Первые интересные подборки зарубежных разработок в области регулирования бумагопроводящих систем и красочных аппаратов были сделаны А.Н. Чернышевым I I . Описания контрольно-измерительных и регулирующих устройств, используемых в печатных машинах, были опубликованы в книгах Н.И. Либермана І78І и А.Д. Рабиновича ІІ.03І
Статьи, посвященные отдельным разработкам в области автоматизации печатных процессов, периодически публиковались в журнале "Полиграфия", сборниках трудов МШ, ВШИ полиграфии и ВНИИ полиграфма-ша. Более систематическое освещение вопросы автоматизации полиграфических производственных процессов, в том числе и печатных, получили в учебном пособии Г.Д. Толстого Па . В книге М.Н.Яб-локова и Ы.А. Нечипоренко 129 приведены интересные материалы о состоянии и тенденциях развития автоматизации печатных процессов в США.. Обоснование технологических требований к различным аспектам автоматизации основных способов печати дано в монографии B.C. Лапатухина 76 .
На кафедрах автоматизации МШ и УШ был создан ряд учебных пособий по автоматизации полиграфического производства, где вопросам автоматического управления и регулирования печатных процессов уделялось большое внимание I 55-58, 31-33 .
По вопросам автоматизации печатных процессов защитили кандидатские диссертации К.В. Шипков, Л.В. Фельдман, X. Кубера, JLB. Мельникова, СП. Вартанян, Ю.Н. Ткачук, В.Г. Тростянский, С.С.Селезнев, Л.А. Шахмундес, А.Ф. Федосеев, А.В. Беляев.
Интересы автора данной диссертации на протяжении ряда лет были связаны с проблемами автоматизации полиграфического производства и, в частности, с задачами автоматического управления печатным процессом. Анализ систем автоматического регулирования технологических процессов в полиграфии был предпринят автором в учебном пособии Г ЗІ І , опубликованном в 1965 г. В 1970 г. в "Библиотеке по автоматике" (издательство "Энергия") вышла книга автора 41 , посвященная применению импульсных систем для регулирования движения ленточного материала в рулонных ротационных печатных машинах. Опыт, который был накоплен автором в процессе преподавания на протяжении десяти лет курса автоматизации полиграфического производства, а также в процессе выполнения научно-исследовательских работ по договорам с промышленностью, обобщен в монографии 59 , написанной совместно с проф. В.В. Казакевичем. В этой монографии, так же как и в учебных пособиях 31, 32, 58І , дается систематическое изложение теоретических основ автоматизации в полиграфии, базирующееся на теории автоматического управления и регулирования. К исследованию систем автоматического регулирования примыкают работы автора, относящиеся к другим отраслям техники 49-53, 20-22 . В последние годы автор работал совместно с СП. Вартаняном, A.JE. Батюшко, Б.В. Каганом, Л.А. Шах-мундесом над проблемами автоматизации офсетного печатного процесса, что нашло отражение в коллективном труде 13 , а также в целом ряде отчетов по научно-исследовательским темам 95-97 , выполненных во ВНИИ полиграфии при непосредственном участии автора.
В области автоматизации печатных процессов в настоящее время наступает переломный период. Если раньше велась разработка приборов и устройств контроля и регулирования отдельных параметров печатного процесса, то сейчас создаются автоматизированные системы управления печатными машинами (АСУ Щ), являющихся качественно новым классом систем автоматизации полиграфического производства, обеспечивающих существенное повышение производительности печатных машин, экономию материалов и энергии, повышение качества труда печатников. Усиленное развитие АСУ ПМ вряд ли можно объяснить модой или конъюнктурными соображениями. Здесь, по-видимому, играют роль более глубокие социально-экономические факторы долговременного действия.
В течение нескольких последних лет ряд американских и западноевропейских фирм ведет интенсивные работы над созданием автоматизированных систем управления печатными машинами 130, 138І . Разработки различных фирм отличаются объемом функций, конструк - 20 тивным выполнением, аппаратурной основой, средствами связи с оператором, однако их объединяет общий иерархический принцип построения. На верхнем уровне осуществляется программирование печатного процесса, т.е. подготовка и обработка данных для предварительной настройки печатной машины. Средний оперативный уровень,с одной стороны, служит центром обмена информацией между уровнем подготовки данных (программ) и печатным процессом, а с другой стороны, служит для внесения изменения в эти данные и распределения управления по отдельным учасшам процесса. Наконец, на низшем уровне происходит непосредственное управление печатной машиной в соответствии с установленной программой и командами, а также с учетом реальной технологической ситуации. Многочисленные зарубежные публикации свидетельствуют о том, что микропроцессоры проникают в технические средства АСУ Ш на всех уровнях: от локального регулирования параметров печатного процесса до операций управления и предварительного программирования печатного процесса в целом. Это дает основание полагать, что микропроцессоры в дальнейшем будут служить аппаратурной основой АСУ ТП 24j . Наконец, в последнее время предложены децентрализованные (распределенные) системы микро-ЭВМ с общим каналом для дистанционной передачи данных и центральным дисплеем для наблюдения за ходом процесса и оперативного вмешательства в него. Такова, например, система TDC 2000 фирмы Honeywell (США) Е52І .
При разработке комплексных систем автоматизированного управления печатным процессом особое значение приобретает принцип оптимальности, который позволяет объединить в единую стратегию локальные задачи автоматизации. Оптимальным принято считать управление, обеспечивающее экстремальное значение показателя эффективности системы ІХ09, 75, 122, 102 и дрГ] . В том случае, если оптимизируемый объект имеет экстремальную зависимость некоторого технологического показателя качества процесса от убавляющих воздействий и этот показатель может быть непосредственно измерен или вычислен по косвенным показателям, создается возможность экстремального управления технологическим процессом.
Общая постановка задачи экстремального управления как нового направления в развитии автоматических систем была впервые дана В.В. Казакевичем в 1944 году. В ряде известных работ по экстремальному управлению им были разработаны основные принципы построения экстремальных систем, исследована их динамика, предложены способы обеспечения устойчивости и методы улучшения качества систем автоматической оптимизации Гб2, 63 . Дальнейшее развитие указанного направления получило в многочисленных трудах советских и зарубежных ученых.
Под руководством проф. В.В.Казакевича автор диссертации принимал участие в создании одной из промышленных систем автоматической оптимизации 91,за разработку которой, наряду с другими участниками работ, был награжден медалью ВДНХ. Высокая эффективность систем экстремального управления, полученная на некоторых промышленных объектах, дает основание рекомендовать этот метод для автоматической оптимизации печатного процесса, в частности, для оптимизации соотношения краска/влага в офсетном печатном процессе 59 .
Несколько иная постановка проблемы оптимизации параметров печатного процесса по критерию качества печати дана в ряде работ, выполненных под руководством Э.К. Белозерова Г10, І5І . Критерии оптимальности, рассматриваемые в этих работах, являются монотонно убывающими функциями, вследствие чего каждый из них достигает оптимального значения не внутри области, обусловленной ограничениями, а на ее границах.
На основе анализа опубликованных научных работ можно сделать
- 22 следующее заключение о состоянии проблемы математического моделирования и автоматического управления печатным процессом.
1. Разработка методов математического описания печатного процесса (применительно к рулонной офсетной печати) идет в нескольких направлениях:
- математическая интерпретация физико-механических и физико-химических явлений с целью определения основных характеристик и констант печатного процесса;
- математическое исследование движения ленты в лентопроводя-щей системе рулонной печатной машины с целью определения условий стабилизации выходных технологических величин и совмещения технологических операций;
- математическое исследование движения краски и увлажняющего раствора в красочном и увлажняющем аппаратах и их взаимодействия на печатной форме с целью определения условий получения качественных оттисков.
2. Исследование движения и взаимодействия основных материальных потоков при рулонной офсетной печати традиционными методами математического анализа и теоретической механики не в состоянии охватить сложные и многообразные динамические явления и не может дать цельное математическое описание печатного процесса как объекта автоматического управления. Здесь целесообразно использование методов математического описания и структурного преобразования, развитых в технической кибернетике.
3. Разработка методов автоматического управления печатным процессом шла, главным образом, по пути автоматизации локальных операций и объектов, и лишь в последнее время наметился поворот
к созданию комплексных автоматизированных систем управления. Аппаратурной основой этих систем должна явиться микропроцессорная техника. Вопросы, связанные с разработкой общей стратегии и структуры управления печатным процессом, в настоящее время не изучены. Научной основой разработки этой стратегии может служить принцип оптимального управления.
4. Выполненные автором исследования дают необходимый материал для теоретического обобщения проблемы математического моделирования и автоматического управления печатным процессом.
Цель данной работы заключается в создании научной основы для решения проблемы комплексного управления печатным процессом, а также многообразных задач по системам локальной автоматизапии. Достижение поставленной цели включает ряд этапов, которые определяют структурное построение работы:
- формирование общей модели и стратегии управления печатным процессом (глава I);
- структурно-математическое моделирование объектов управления, связанных с движением и взаимодействием основных материальных потоков офсетного печатного процесса - бумажной ленты, краскопо-токов и увлажняющего раствора (главы 2 и 4);
- разработка на основе метода моделирования принципов автоматического управления подачей и движением бумажной ленты, подачей и соотношением краски и увлажняющего раствора (главы 3 и 5);
- разработка на основе метода моделирования принципов комплексного управления и оптимизации печатного процесса (глава 6). Решение поставленных задач опирается на определенную методику, характеризующуюся следующими особенностями.
I. Для построения структурно-математических моделей используется метод сигнальных графов, который позволяет наглядно и экономично отобразить сложное взаимодействие материальных и информационных потоков в управляемом печатном процессе, синтезировать программы автоматического управления, осуществить эквивалентные преобразования и получить обобщенные динамические характеристики. Обладая иерархическими свойствами, метод сигнальных графов
- 24 дает возможность разбить модель печатного процесса на ряд композиционных моделей с различной степенью подробности. Так, на нижних уровнях модели являются наиболее подробными, что дает возможность выявить существенные закономерности процесса и сопоставить им программы управления локальными объектами. На верхнем уровне строится обобщенная функциональная модель, анализ которой позволяет сформулировать общую стратегию управления печатным процессом.
2. Для оценки поведения (функционирования) систем управления печатным процессом используется принцип оптимальности, суть кото рого заключается в достижении экстремального значения показателя качества при оптимальном (наилучшем) управлешш. Выбор показателя качества (критерия оптимальности) зависит от уровня управления: на верхних уровнях используются обобщенные критерии, на нижних уровнях - частные, локальные критерии. Этот подход позволяет осуществить программную или параметрическую оптимизацию систем управления на разных уровнях управления. Осуществляя таким путем поэтапную оптимизацию и используя каскадный принцип управления, , можно осуществить оптимизацию системы управления печатным процессом в целом.
3. Для анализа моделей печатного процесса и систем управления используется метод моделирования на аналоговых и цифровых вычислительных машинах, позволяющий построить непрерывные и дискретные моделирующие алгоритмы, адекватные процессам, протекающим в соответствующих моделях. Являясь, по существу, расчетным, этот метод при условии достаточно точного моделирования может дать результаты близкие к натурным экспериментам, но не требует при этом использования производственного оборудования, затрат энергии и материалов. Достоверность моделей подтверждается путем сопоставления с реальными характеристиками печатных машин.
На защиту выносятся:
1. функциональная модель и общая стратегия управления печатным
процессом, объединяющая в единый комплекс задачи программирования, предварительной настройки, автоматической стабилизации и оптимизации печатного процесса (применительно к рулонной офсетной печати).
2. Теория структурно-математического моделирования лентопрово-дящей системы, основанная на методе сигнальных графов; комплекс математических моделей, отражающих сложную структуру и динамическое взаимодействие элементов лентопроводящей системы.
3. Принципы автоматического управления подачей и движением бумажной ленты в рулонной печатной машине; теоретическое исследование непрерывных и импульсных систем управления движением ленты.
4. Теория структурно-математического моделирования красочного и увлажняющего аппаратов, основанная на методе сигнальных графов; одноемкостные и многоемкостные непрерывные модели, описывающие движение слоев краски и увлажняющего раствора; дискретная модель, описывающая процесс деления красочного слоя с учетом смещения слоя по поверхности валиков.
5. Принципы автоматического управления подачей краски и увлажняющего раствора в офсетном печатном процессе; теоретическое исследование непрерывных и цифровых систем управления подачей краски.
6. Модель офсетного печатного процесса в режиме оптимизации соотношения краски и увлажняющего раствора; математические условия оптимизации.
7. Принцип построения комплексной системы уцравления офсетным печатным процессом; способ автоматической оптимизации соотношения краски и увлажняющего раствора, основанный на отыскании и поддержании максимального контраста изображения.
Итак, на защиту выносятся теоретические и методологические принципы моделирования и управления процессом рулонной офсетной печати, составляющие научную основу нового направления в комплексной автоматизации полиграфического производства.
