-
Die
vorliegende Erfindung betrifft den Bereich des kontinuierlichen
Tintenstrahldruckens und insbesondere eine verbesserte Flüssigkeits-
und Vakuumsteuerung in einem kontinuierlichen Tintenstrahldrucksystem.
-
In
kontinuierlichen Tintenstrahldrucksystemen muss das Vakuum- und Druckniveau
anhand bestimmter Sollwerte geregelt werden. Diese Sollwerte verändern sich,
während
das System verschiedene Zustände
durchläuft,
die mit der Vorbereitung des Druckkopfes für den Druckvorgang, mit dem
Herunterfahren des Druckkopfes, mit dem Reinigen des Druckkopfes
oder mit dem Spülen
des Systems in Verbindung stehen.
-
In
Systemen nach dem Stand der Technik kommen Proportional-Integral-Differenzial-Steuerungsalgorithmen
zum Einsatz, um das System nach Sollwerten zu steuern. Während allerdings
ein Satz von PID-Steuerungskonstanten ein gutes Systemansprechverhalten
(d.h. schnelles Ansprechen, minimales Übersteuern, keine gleichförmigen Schwingungen)
für eine
gegebene Ventilkonfiguration in dem System erzeugt, ist die Leistung
desselben Satzes von PID-Steuerungskonstanten für eine andere Ventilkonfiguration
nicht zufriedenstellend.
-
Um
die unterschiedlichen Ansprecheigenschaften des Vakuum- und Drucksystems
im Tintenstrahldrucker zu berücksichtigen,
ist es in Systemen nach dem Stand der Technik notwendig, PID-Steuerungskonstanten
zu verwenden, die eine Stabilität (keine Schwingungen)
für alle
Zustände
gewährleisten.
Im Allgemeinen ist einer der Ventilzustände gegenüber Schwingungen empfindlicher
als ein anderer. Die zur Vermeidung von Schwingungen für diesen
Zustand notwendigen Steuerungskonstanten erzeugen eine Ansprechgeschwindigkeit,
die für
viele der anderen Ventilzustände
langsamer als gewünscht
ist.
-
Tintenstrahldrucksysteme
nach dem Stand der Technik enthalten bislang eine getrennte Vakuumquelle
für jeden
Druckkopf. In diesen Systemen ist es relativ einfach, ein Vakuum
aufrechtzuerhalten. Wenn allerdings zwei oder mehr Druckköpfe dieselbe Vakuumquelle
verwenden, variieren die Vakuumsystemzeitkonstanten stärker. Die
PID-Steuerungskonstanten, die erforderlich sind, um die Stabilität für alle Ventilzustände zu gewährleisten,
bewirken für
einige der anderen Ventilzustände
deutlich schlechtere Ansprechgeschwindigkeiten. Diese langsameren
Ansprechgeschwindigkeiten werden inakzeptabel.
-
In
einem Flüssigkeitssystem
mit einem gemeinsamen Vakuumsystem für zwei oder mehr Druckköpfe gibt
es zudem Zeiten, in denen eine Schrittänderung in der Vakuumladung
des einen Systems erforderlich ist (z.B. wenn ein Vakuumsystemventil
während
des Hochfahrens betätigt
wird), während
das Vakuumniveau für
das zweite System konstant gehalten werden muss. Die zu diesen Zeiten
erzeugten Übergänge können zu
einem inakzeptablen Ausschlag des Vakuumniveaus für das zweite
System führen,
was die Leistung des zweiten Druckkopfes nachteilig beeinflussen
kann.
-
US-A-5
555 005 beschreibt eine Vorrichtung zur elektronischen Steuerung
des Drucks einer Flüssigkeit
zwischen einem Eingangsdruck und einem Ausgangsdruck durch Bereitstellen
eines Zwischenvolumens zwischen dem Ursprungsdruck, dem Verdichtungsdruck
und dem Druck eines Auslassvolumens.
-
Ein
in EP-A-0354715 beschriebenes Durchflusssteuerungssystem umfasst
Mittel zum Vergleichen des Durchflusses mit einem Soll wert, um ein Fehlersignal
zu erzeugen, und Mittel zum Ableiten proportionaler, integraler
und abgeleiteter Werte von dem Fehlersignal, die zur Bereitstellung
eines Signals zur Steuerung eines Tintenventils kombiniert werden.
-
US-A-3787882
beschreibt die Servosteuerung einer Tintenstrahlpumpe, deren Sensoren
ein Signal bezüglich
einer Qualität
des Tintenstrahls bereitstellen, beispielsweise dessen Geschwindigkeit, wobei
das Signal mit einem Bezugssignal verglichen wird, um ein Korrektivsignal
zu erzeugen, das beispielsweise an eine Tintenstrahlpumpe angelegt wird.
-
Es
besteht daher Bedarf nach einem verbesserten Flüssigkeits- und Vakuumsteuerungssystem, das die
Stabilität
des Systems wahren und eine akzeptable Antwortgeschwindigkeit für das System
liefern kann.
-
Diese
Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst, worin ein Mittel zur Flüssigkeits- und
Vakuumsteuerung in einem kontinuierlichen Tintenstrahldrucksystem
bereitgestellt wird.
-
Die
vorliegende Erfindung umfasst ein System zum Steuern eines ausgewählten Parameters
eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers mit einer
mehrstufigen Servosteuerung zum Steuern des ausgewählten Parameters,
wobei unterschiedliche Stufen der Steuerung unterschiedliche Verstärkungen
haben, die von einem Satz von Steuerungsparametern gesteuert werden,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Sätzen von Steuerungsparametern
für die
mehrstufige Servosteuerung mindestens zwei Zuständen des Druckers entsprechen, der
unterschiedliche Betriebseigenschaften mit eigenem Ansprechverhalten
für den
ausgewählten
Parameter hat, und mit einem Mittel zum Auswählen eines geeigneten Parameters
aus der Vielzahl von Sätzen von
Steuerungsparametern, die von der mehrstufigen Servosteuerung verwendet
werden, um die Steuerung der ausgewählten Betriebs parameter in jedem
der mehrfachen Betriebszustände
aufrechtzuerhalten.
-
Die
Steuerung hat den Vorteil, dass die Ansprechzeit des Systems reduziert,
die Übersteuerung der
Steuerungsparameter, wie Tintendruck oder Systemvakuum, minimiert,
gleichförmige
Schwingungen beseitigt und die Größe der Ausschläge der Steuerungsparameter
in Ansprechen auf Lastwechsel reduziert wird.
-
Weitere
Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden im Zuge der nachfolgenden
Beschreibung, der beiliegenden Zeichnung und der anhängenden Ansprüche deutlich.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand in den Zeichnungen dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
Es zeigen
-
1 ein
schematisches Blockdiagramm eines Drucksystems;
-
2A und 2B inakzeptables
Systemansprechverhalten für
ein System ohne die erfindungsgemäße Technik;
-
3A und 3B akzeptables
Systemansprechverhalten für
ein System mit der erfindungsgemäßen Technik;
und
-
4 ein
schematisches Blockdiagramm einer analogen PID-Steuerung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
In
kontinuierlichen Tintenstrahldrucksystemen wird Tinte unter Druck
von einem Flüssigkeitssystem
zu einem Druckkopf transportiert, wie in 1 gezeigt.
Einige der durch den Druckkopf ausgebildeten Tintentropfen treffen
auf das Papier, um das gewünschte
Bild zu erzeugen. Die verbleibenden Tintentropfen werden in der
Auffangeinrichtung abgeleitet. Vakuum im Tintenbehälter dient
dazu, die Tinte aus der Auffangeinrichtung in den Tintenbehälter zurückzuführen, von
wo diese wiederverwendet werden kann. Im Normalbetrieb ist es erforderlich, das
Vakuum innerhalb von ca. 1700 Pa des Sollwerts und den Druck innerhalb
von 1400 Pa des Sollwerts zu halten, damit das System einwandfrei
funktioniert.
-
Wenn
das Vakuum zu hoch ist, werden stattdessen nicht geladene Tropfen,
die eigentlich gedruckt werden sollten, in der Auffangeinrichtung
abgeleitet. Im Tintenbehälter
kann zudem ein starker Schaum entstehen. Wenn das Vakuum zu niedrig
ist, kann das System die Tinte nicht schnell genug von der Oberfläche der
Auffangeinrichtung entfernen, so dass die Tinte auf den Bedruckstoff
fällt,
wodurch die Qualität
des gedruckten Produkts leidet.
-
Wenn
der Tintendruck zu hoch oder zu niedrig ist, kann die Tropfenbildung
und Tropfenablenkung erheblich beeinträchtigt sein, was zu einer Qualitätsverschlechterung
des Endprodukts führt.
-
Um
das richtige Vakuum- und Tintendruckniveau zu wahren, sind Tintenstrahldrucker üblicherweise
mit Steuerungen ausgestattet. Diese Steuerungen umfassen häufig Druck-
und Vakuumabtasteinrichtungen, Steuerungselektronik und Mittel zur Einstellung
der Pumpendrehzahlen. Die Steuerungselektronik umfasst normalerweise
eine PID-Steuerung (Proportional-Integral-Differenzial). PID-Steuerungen
werden verwendet, weil sie eine minimale Fluktuation der Steuerungsparameter
und kurze Ausregelzeiten bieten und keine Schwingungen aufweisen.
-
Wenn
eine PID-Steuerung verwendet wird, hängen die Stabilität der Steuerung,
die Ansprechgeschwindigkeit und der Grad der Übersteuerung von den Multiplikatorwerten
ab, die für
jede Stufe der Steuerung verwendet werden. Die in der PID-Steuerung
verwendeten Multiplikatorwerte werden idealerweise anhand der eigenen
Ansprechgeschwindigkeit des zu steuernden Systems ausgewählt. Multiplikatorwerte,
die sich von dem Idealwert unterscheiden, können Instabilitäten erzeugen,
was Schwingungen in dem System bewirken kann. Nicht ideale Multiplikatorwerte
können
zudem langsame Ausregelzeiten und größere Schwankungen der Steuerungsgrößen bewirken.
Wenn sich die Systemverstärkung
und die Ansprechgeschwindigkeit für unterschiedliche Zustände ändern, sind
die von der PID-Steuerung verwendeten Multiplikatorwerte möglicherweise
nicht mehr optimal. Wenn die Änderungen
klein sind, kann dies eine geringe Wirkung auf Ausregelzeit oder Übersteuerung
der Steuerung haben. Bei größeren Änderungen
kann die Steuerung instabil werden und Schwingungen unterworfen
sein, oder die Ausregelzeiten oder Übersteuerungen können inakzeptabel werden.
-
1 zeigt
ein einzelnes Flüssigkeitssystem 100,
das die Integration mehrerer Druckköpfe unabhängig und gleichzeitig zu steuern
vermag. Die Integration von zwei Druckköpfen, die von einem Flüssigkeitssystem
bedient werden, umfasst gemeinsame und zusätzliche Komponenten aus dem
vorhandenen Flüssigkeitssystem
sowie neue Komponenten, die den Betrieb des Systems ermöglichen.
-
Jeder
Druckkopf ist von einer eigenen Druckkopf-Schnittstellensteuerung
(PIC) 102a und 102b regelbar und greift auf einen
gemeinsamen Tintenbehälter
oder Tintentank 104 zurück.
Der Tintentank steht unter Vakuum, das von gesteuerten Vakuumsystemeinrichtungen
geliefert wird. Die gesteuerten Vakuumsystemeinrichtungen können die
in US-A-5,394,177 beschriebenen sein.
-
Tinte
wird mithilfe der Tintenpumpen 110 aus dem Tintentank 104 entnommen,
wobei jede Tintenpumpe Tinte zu einem einzelnen Druckkopf transportiert.
Jede Pumpe 110 wird von einem bürstenlosen, drehzahlvariablen
VDC-Motor angetrieben, wodurch der Durchfluss zu jedem Druckkopf
steuerbar ist. Es sei darauf hingewiesen, dass durch Hinzunahme
von Magnetventilen mit variabler Durchflusssteuerung eine Tintenpumpe
ausreichen würde,
um beide Druckköpfe
zu versorgen. Allerdings kann es aufgrund anderer Designparameter
notwendig sein, jedem Druckkopf seine eigene Tintenpumpe zuzuweisen.
-
Zusätzlich zu
den Tintenpumpen 110 ist jeder Druckkopf mit einer einzelnen
Tintenheizung einer geeigneten Bauart bestückt, beispielsweise einem beheizten
Versorgungselement 112. Für die Ansteuerung der beiden
Tintenheizungen dient ein gemeinsamer Heizungsregler. Dieser Regler überwacht die
Tintentemperatur in jedem Druckkopf anhand separater Temperatursensoren 114 und
aktiviert oder deaktiviert die Tintenheizungen mittels separater (nicht
gezeigter) Heizungssteuerrelais, um eine separate Servosteuerung
der Tintentemperatur für
die beiden Druckköpfe
bereitzustellen.
-
Um
die elektromagnetischen Emissionen zu minimieren, erfolgt die Schaltung
der Heizleistung an den Übergangspunkten
der AC-Sinuskurve.
Da jede Tintenheizung viel Energie verbraucht, sorgt der gemeinsame
Heizungsregler dafür,
dass beide Heizungen nicht gleichzeitig aktiviert werden. Stattdessen teilt
er die Heizleistung wechselseitig zwischen beiden Heizungen auf.
Während
des Hochfahrens ist es zudem wünschenswert,
dass die Tintentemperatur in dem Druckkopf schnell ansteigt, um
die zur Reinigung der Ladeplatte notwendige Kondensation zu erzeugen.
Um die gewünschte
Temperatur schnell zu erreichen, staffelt die Systemsteuerung die
Hochfahrsequenz für
die beiden Druckköpfe
so, dass der Heizungsregler die volle Leistung an eine einzelne
Heizung für
die Zeit anlegen kann, die notwendig ist, um die gewünschte Kondensation
zu erzeugen, bevor die Leistung auf die nächste Heizung umgeschaltet wird,
um die gewünschte
Kondensa tion für
den nächsten
Druckkopf zu erzeugen. Auf diese Weise kann der einzelne, gemeinsame
Heizungsregler für die
beiden Druckköpfe
die Spitzenstromanforderungen für
ein System mit mehreren Druckköpfen
erheblich reduzieren. Die getrennten Tintenheizungen sind mit eigenen
(nicht gezeigten) Thermostaten bestückt, die das System gegen Überhitzung
schützen,
wobei diese Thermostaten nicht zur Temperatursteuerung dienen.
-
Ein
Konzentrationssensor 124 überwacht die Tintenkonzentration.
Tinte wird durch den Konzentrationssensor aus dem Tintentank mittels
einer kleinen, eigenen Flüssigkeitspumpe 126 umgewälzt. Auf
diese Weise ist die Strömung
durch den Sensor von der Strömung
zu einer der beiden Druckköpfe
unabhängig.
Das Konzentrationssteuerungssystem ist derart konfiguriert, dass
die Tinte bei Auffüllen
des Flüssigkeitssystems 100 mit
frischer Tinte durch ein Ventil 128 am Einlass des Konzentrationssensors
und durch den Sensor tritt.
-
Auf
diese Weise kann der Sensor gegen frische Tinte kalibriert werden.
Die Steuerungselektronik des Flüssigkeitssystems überwacht
die Ausgabe dieses Sensors und die Ausgabe des Tintentank-Füllstandssensors,
während
diese die Zugabe von Tinte oder Nachfüllflüssigkeit in den Tintentank steuert,
und zwar ähnlich
wie bei dem vorhandenen Flüssigkeitssystem.
-
Die
Prüfung
der Konzentration der Tinte anhand des Konzentrationssensors beim
Zuführen
der Tinte zu dem Flüssigkeitssystem
kann auch als Sicherheitsprüfung
dienen, um zu verhindern, dass dem Flüssigkeitssystem der falsche
Tintentyp oder die falsche Tintenfarbe hinzugefügt wird.
-
Eine Überdruckluftpumpe 130 pumpt
saubere Luft in die Flüssigkeitsleitungen.
Die Überdruckpumpe
im Flüssigkeitssystem 100 versorgt
jeden Tröpfchengenerator über die
Luftventile 108 mit sauberer Luft, um dazu beizutragen,
dass während
des Herunter fahrens beider Druckköpfe Tinte aus den Druckköpfen entfernt
wird. Die Funktion dieser Luftpumpe wird detaillierter in der US-Parallelanmeldung Nr.
6273103 beschrieben (veröffentlicht
am 14.08.01).
-
In
einem typischen Tintenstrahldrucker wird das Vakuumniveau durch
die Pumpendrehzahl oder – für Steuerungszwecke – durch
die Pumpenspannung gesteuert. Darüber hinaus ist sie von der
Luftmenge abhängig,
die durch verschiedene Entlüftungen
in das Vakuumsystem einzudringen vermag, beispielsweise offene Auffangeinrichtungen
und Auffangschalenleitungen sowie andere mögliche Entlüftungen. Je mehr Entlüftungen
geschlossen werden, umso kleiner können die Änderungen der Pumpenspannung
sein, um eine größere Änderung
im Vakuumniveau zu bewirken. Die Verstärkung des Vakuumsystemansprechverhaltens
nimmt also zu, je mehr Entlüftungsventile
geschlossen werden. Das Öffnen
oder Schließen
verschiedener Entlüftungsventile
beeinflusst also die Ansprechgeschwindigkeit oder die Zeitkonstanten
des Systems. In ähnlicher Weise
hängt das
eigene Ansprechen des Tintendrucksystems davon ab, ob das Auslassventil
des Druckkopfes offen oder geschlossen ist.
-
Die
Wirkung dieser Änderungen
des eigenen Systemansprechverhaltens aufgrund verschiedener Ventil-
oder Entlüftungszustände ist
in 2 und 3 dargestellt.
Die Kurve aus 3A zeigt das Ansprechen des
Systems, wenn die Entlüftungsventile
geschlossen sind und die Multiplikatorfaktoren der PID-Steuerung
nahezu optimal sind. In ca. 8 Zeiteinheiten hat sich das System
auf den gewünschten Wert
eingeregelt. 3B zeigt eine Ansprechkurve des
Systems, wenn die Entlüftungsventile
geöffnet und
die Multiplikatorfaktoren für
diesen Zustand auf einen nahezu optimalen Wert geändert worden
sind. In ca. 10 Zeiteinheiten hat sich das System auf den gewünschten
Wert eingeregelt. Diese beiden Kurven zeigen, dass sich dieses geregelte
System mit einwandfrei abgestimmter PID-Steuerung schnell auf die
gewünschten
neuen Werte bei offenen oder geschlossenen Entlüftungsventilen einregeln kann.
-
In
Systemen nach dem Stand der Technik wurde ein einzelner Satz von
PID-Steuerungsgrößen für alle Flüssigkeitssystemzustände verwendet.
Dies könnte
für zahlreiche
Zustände
des Flüssigkeitssystems
ein inakzeptables Ansprechen bewirken. Man stelle sich beispielsweise
ein Flüssigkeitssystem
vor, in dem die verwendeten PID-Multiplikatorwerte (3A)
für alle
Zustände
des Flüssigkeitssystems verwendet
würden.
In Zuständen,
in denen die Ventile geöffnet
sind, wird, wie in 2A, eine inakzeptable Übersteuerung
erzeugt. Unter extremeren Umständen
könnte
das System sogar in Schwingung versetzt werden. Man stelle sich
andererseits ein Flüssigkeitssystem
vor, in dem die verwendeten PID-Multiplikatorwerte (3B)
für alle
Zustände verwendet
würden.
Wenn die Ventile geschlossen sind, wie in 2B gezeigt,
kann das System inakzeptabel lange Ansprechzeiten aufweisen. Nach zwanzig
Zeiteinheiten ist das System immer noch weit davon entfernt, den
gewünschten
Sollpunkt zu erreichen. Dieser zweite Satz der PID-Multiplikatorwerte
vermeidet für
alle Fälle
ein Übersteuern
und Oszillieren, wodurch das System zwar stabiler wird, was das
Systemansprechverhalten in einigen der Betriebszustände aber
sehr langsam machen kann. Wenn bei Systemen nach dem Stand der Technik eine
Entscheidung zwischen diesen beiden Sätzen der PID-Multiplikatorfaktoren
getroffen werden müsste,
würde die
Notwendigkeit, unter allen Umständen Stabilität zu gewährleisten,
die Verwendung des zweiten Satzes von Multiplikatorwerten auch dann vorschreiben,
wenn damit schlechtere Ansprechgeschwindigkeiten für einige
Flüssigkeitssystemzustände verbunden
wären.
-
Neuere
Tintenstrahldrucksysteme sind mit einem Flüssigkeitssystem ausgestattet,
das mehrere Druckköpfe
ansteuern kann. Die eigenen Ansprecheigenschaften des Vakuumsystems
werden daher von der Auffangeinrichtung und den Auffangschalenventilen
meh rerer Druckköpfe
beeinflusst. Daher ändern
sich die Ansprecheigenschaften stärker als in früheren Systemen.
Es ist demnach nicht mehr sinnvoll, die Parameter unter allen Umständen auf
Stabilität
auszulegen und für
die übrigen
Zustände
ein langsameres Ansprechen hinzunehmen.
-
Die
vorliegende Erfindung löst
dieses Problem, indem Flüssigkeitssystemabhängige Parameter
für die
Vakuum- und Drucksteuerungssysteme verwendet werden. Diese Parameter
können
in einer Tabelle gespeichert werden. Für jeden Betriebszustand des
Flüssigkeitssystems
lassen sich ideale PID-Steuerungsgrößen erzielen, indem die Daten aus
der Tabelle ausgewählt
werden, die für
den jeweiligen Betriebszustand spezifiziert sind.
-
Wie
in 1 gezeigt, verwenden aktuelle Drucksysteme gleichstrommotorbetriebene
Pumpen, um als Quelle für
Vakuum und Überdruck
zu dienen. Für
das Vakuumsystem liefert ein im Tintentank befindlicher Messwandler
den gemessenen Füllstand. Für das Überdrucksystem
wird ein Messwandler verwendet, um den Überdruck in dem Druckkopf zu messen.
-
Die
Sollwerte für
den Unterdruck werden anhand einer Zustandstabelle ermittelt. Diese
Zustandstabelle/Softwaredatei enthält die Sequenzen der Zustände, die
zur Durchführung
verschiedener Betriebszustände
verwendet werden (z.B. Hochfahren oder Runterfahren). Der Sollwert
für das
Vakuum wird durch die Zustandstabelle und den Druckkopf ermittelt,
da der Auffangwert des Vakuums in dem Druckkopf gespeichert ist.
-
Sobald
der Sollwert ermittelt ist, kann die PID-Steuerung das Ansteuerungsniveau
auf die entsprechende gleichstrommotorbetriebene Pumpe einstellen,
um zu versuchen, diesen Sollwert zu erreichen und zu halten. In
einem derartigen Tintenstrahldrucker sind die gewünschten
Systemsteuerungsspezifikationen wie folgt:
- 1) Überdruck – Ausgehend
von einem Beharrungszustand von 34000 Pa sollte eine Schrittänderung
des Sollwerts von 34000 auf 103000 Pa dazu führen, dass das System den gewünschten Wert
103000 Pa in weniger als 8 Sekunden erreicht und um weniger als
6900 Pa übersteuert. Eine
Schrittänderung
des Sollwerts von 103000 auf 34000 Pa würde dazu führen, dass das System den Sollwert
von 34000 Pa in weniger als 8 Sekunden erreicht und um weniger als
6900 Pa untersteuert. Nach derartigen Übergängen würde der Druck innerhalb von
1400 Pa des Sollwerts gehalten werden müssen.
- 2) Vakuum – Ausgehend
von einem Beharrungszustand von 17000 Pa würde eine Schrittänderung
in dem Sollwert von 17000 auf 51000 Pa dazu führen, dass das System den gewünschten Wert
51000 Pa in weniger als 8 Sekunden erreicht und um weniger als 3400
Pa übersteuert.
Eine Schrittänderung
des Sollwerts von 51000 auf 17000 Pa würde dazu führen, dass das System den Sollwert
von 17000 Pa in weniger als 8 Sekunden erreicht und um weniger als
3400 Pa untersteuert. Nach derartigen Übergängen würde der Unterdruck innerhalb
von 1700 Pa des Sollwerts gehalten werden müssen.
-
Diese
Kriterien gelten unabhängig
von der Ventilkonfiguration des Systems.
-
Es
gibt zwei Ventile für
jeden Druckkopf, die eine dominierende Wirkung auf das Ansprechen
der Vakuumanlage haben. Diese umfassen das Auffangventil und das
Auffangpfannenventil. Das hier exemplarisch verwendete System arbeitet
mit zwei Druckköpfen.
Da es insgesamt vier Ventile gibt, gibt es sechzehn mögliche Ventilkonfigurationen.
Einige dieser Konfigurationen sind jedoch in Bezug auf das Ansprechen
des Vakuumsystems redundant. Wenn das Auffangventil auf der Seite "A" und das Auffangpfannenventil auf der
Seite "B" geöffnet ist,
spricht des System genauso an, als wäre das Auffangventil auf der
Seite "B" und das Auffangpfannenventil
auf der Seite "A" geöffnet. Dies
begrenzt die Zahl der Konfigurationen, die von der Steuerung berücksichtigt werden
müssen,
auf acht. Durch empirisches Ermitteln des Systemansprechens in jeder
der acht Konfigurationen wird eine Tabelle von PID-Konstanten erfindungsgemäß erstellt,
durch die das System seinen Steuerungsalgorithmus auf die Systemkonfiguration abzustimmen
vermag.
-
Das
eigene Ansprechen des Drucksystems ist viel weniger komplex, da
es nur ein Ventil gibt, nämlich
das Querstromventil, das sich auf das Systemansprechen auswirkt.
Außerdem
arbeiten die beiden Seiten unabhängig
voneinander. Die Konfiguration auf Seite "A" betrifft
also nicht den Betrieb der Seite "B" und
umgekehrt. Es sind also nur zwei Sätze von Konstanten für die Druckansprechtabelle
erforderlich, nämlich
eines für
das geöffnete
und eines für das
geschlossene Querstromventil.
-
In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
zur Implementierung der PID-Steuerung digitale Signalverarbeitungstechniken
verwendbar. In einer digitalen Implementierung (siehe 4)
werden die analogen Signale von den Druck- und Vakuumsensoren von
einem Analog-/Digital-Wandler ausgelesen. Die Ausgabe von dieser
Vorrichtung ist ein Zahlenstrom, der den Eingabewerten zu den Abtastzeiten entspricht.
Für jede
Abtastzeit wird die Differenz zwischen dem gewünschten Sollwert und den gemessenen
Werten berechnet, um einen Fehlerwert zu erzeugen. Es wird eine
proportionale Ausgabe durch Multiplikation des Fehlerwerts mit der
gewünschten Konstante
erzeugt. Zu jeder Abtastzeit kann eine Integration des Fehlerwerts
näherungsweise
ermittelt werden, indem der gegenwärtige Fehlerwert zur Summe
aller vorausgehenden Fehlerwerte addiert wird. Diese Summe wird
mit dem Integralmultiplikatorfaktor multipliziert. Eine Differenzierung
lässt sich näherungsweise
durch die Differenz zwischen den aufeinanderfolgenden Fehlerwerten
ermitteln. Diese Differenz kann dann mit dem Differenzialmultiplikatorfaktor
multipliziert wer den. Die Ausgaben der Proportional-, Integral-
und Differenzialstufen werden addiert, um den gewünschten
Steuerungsausgabewert zu erhalten. Ein Digital-/Analog-Wandler wandelt
den Digitalwert zur Steuerung der entsprechenden Pumpendrehzahl
zurück
in einen Analogwert.
-
Alternativ
hierzu ist eine analoge PID-Steuerungsschaltung verwendbar. Das
Blockdiagramm in 4 zeigt eine analoge PID-Schaltung 400 zur
Verwendung mit zustandsabhängigen
PID-Steuerungsgrößen. Der
Regler 402 hat eine Eingangsstufe 422, die die
Systemausgabe 424 mit einem digital geregelten Sollpunkt 426 vergleicht.
Der Regler hat weiterhin parallele Proportional(Verstärkung eins) 404, Integral- 406 und
Differenzialstufen 408. Die Verstärkung der Integral- und Differenzialstufen
arbeitet mit Verstärkern
mit digital gesteuerten Verstärkungen
an 410 bzw. 412, die durch die Ausgaben der Digital-/Analog-Wandler 414 bzw. 416 gesteuert
werden. Die Ausgabe von diesen drei Stufen wird an 418 summiert.
Die Gesamtverstärkung
des Steuerungskreises an 420 wird durch einen digital gesteuerten Verstärker eingestellt.
Ein digitales Hostsystem 430 kann den Steuerungssollpunkt
und den Multiplikatorwert für
jede Stufe des Reglers mittels der Digital-/Analog-Wandler 414, 416, 426 und 428 einstellen.
Die Zustandstabellen 432, die die Steuerungsinformationen
für die Öffnungs-
und Schließzustände des
Ventils sowie andere Systemparameter enthalten, können auch
die richtigen zustandsabhängigen Multiplikatorwerte
zur Verwendung in jedem Betriebszustand enthalten. Während das
Flüssigkeitssystem
die verschiedenen Betriebszustände
durchläuft,
kann der digitale Host anhand der Zustandstabelle die richtigen
Steuerungsparameter identifizieren und diese in dem analogen Steuerungssystem implementieren.
Das System ermöglicht
die bedarfsweise Abstimmung der PID-Parameter für jeden Flüssigkeitssystemzustand. Der
Regler verwendet eine analoge Schaltung für die Steuerungsfunktion, wobei
alle Verstärkungen
digital gesteuert werden.
-
In
der Vakuumsteuerung führt
eine Ventilbetätigung
zu Vakuumausschlägen,
die je nach Größe die Druckqualität beeinträchtigen
könnten.
Durch Installation der Auffangpfanne (und damit durch Öffnen der
Auffangpfannenleitung) würde
das Vakuum kurzzeitig um mehrere Tausend Pa fallen. Die PID-Steuerung
vermag die Pumpenspannung zwar letztendlich so einzustellen, dass
das gewünschte
Vakuum erzeugt wird, aber es würde
ein erheblicher Vakuumübergang
erzeugt. Für
den einwandfreien Betrieb des Druckers wäre es wünschenswert, die Amplitude
der Übergangsvakuumausschläge unter
die von der PID-Steuerung erzielten zu reduzieren.
-
Um
zu verstehen, wie sich dies bewirken lässt, können die folgenden Ausführungen
hilfreich sein. Wenn das System auf dem gewünschten Vakuum gehalten wird,
ist das Fehlersignal null. Die Zeitableitung ist ebenfalls null.
Daher sind das Ausgangssignal der Proportional- und Differenzialstufen der
PID-Steuerung im Wesentlichen null. Die Ausgabe der PID-Steuerung
entspricht daher nahezu vollständig
der Ausgabe der Integratorstufe. Die Ausgabe der Integratorstufe
spricht auf Änderungen
des Vakuums langsam an, weil es sich um eine Integration handelt.
Kleinere Übergangsausschläge und kürzere Ansprechzeiten
würden
erzielt, wenn die Integratorstufe so beschaffen sein könnte, dass
sie schnell auf Zustandsänderungen
reagiert. Dies lässt sich
erzielen, indem berücksichtigt
wird, dass unmittelbar nach einer Zustandsänderung der integrierte Fehlerwert
von unmittelbar vor der Zustandsänderung
nicht mehr gültig
oder hilfreich ist, um den neuen Zielwert zu erreichen. Es wird
daher bevorzugt, die Integrationsausgabe zu löschen und mit einem neuen Wert
zu beginnen. Ein guter Ausgangswert für den Integrator für jeden
Betriebszustand entspricht dem endgültigen Ausgabewert des Integrators
für diesen Status
im Beharrungszustand. Auf diese Weise lassen sich Ausgangswerte
empirisch ermitteln.
-
Eine
zustandsabhängige
PID-Steuerung kann über
eine Integratorvoreinstellung verfügen. Eine derartige Steuerung
ist wie die vorausgehende digitale PID-Steuerung, mit dem Unterschied,
dass die digitale Steuerung über
Mittel verfügt,
um den Summenwert der Integratorstufe zu löschen und voreinzustellen.
Die Lösch- und Voreinstellungsfunktion wird
ausgeführt,
wie in der Zustandstabelle identifiziert, wenn eine Zustandsänderung
wahrscheinlich eine Übergangsschwankung
in der Steuerungsgröße erzeugen
wird. In einem alternativen Ausführungsbeispiel
der Erfindung würde
das Löschen
und Voreinstellen des Integratorwerts vor den Ventilbetätigungen
erfolgen, die das Übergangsansprechen
erzeugen. Diese Technik des Löschens
und Voreinstellens der Integratorstufe hat den wünschenswerten Effekt, die Systemansprechzeit
zu verkürzen
und kann daher auf den Druckservoalgorithmus angewandt werden.
-
Obwohl
die Erfindung mit besonderem Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern
kann innerhalb ihres Geltungsbereichs Änderungen und Abwandlungen
unterzogen werden. In der vorausgehenden Beschreibung wurden gleichstromservogesteuerte
Pumpen für
die Steuerung des Tintenüberdrucks
und des Systemvakuums verwendet. Es sind auch alternative Mittel
zur Steuerung dieser Größen verwendbar,
z.B. stellgliedbetätigte
Strömungshemmer.
Die gleiche Art der Steuerung kann ebenfalls zur Steuerung anderer
Betriebsparameter dienen. Dies könnte
Tintentemperatur oder Tintenkonzentration umfassen. Es sei weiterhin
darauf hingewiesen, dass einige Systeme auf den Integral- oder Differenzialteil
einer vollen PID-Steuerung verzichten können. Für derartige Systeme ist eine
Proportional-Differenzial-Steuerung oder eine Proportional-Integral-Steuerung
verwendbar, wobei die Verstärkungen
der beiden Stufen von Teilen der Steuerung für die verschiedenen Betriebszustände geändert werden
könnten.