王永杰
概述：在指定时刻将被控对象的位置自动地控制到预先给定的目标位置，使控制后的位置与目标位置之差保持在偏差范围之内。这种控制过程称为自动位置控制（APC）。由于所要求的位置是预先给定的，所以又称为预设定自动位置控制或叫APC设定。
在轻合金的铝轧制系统中，如轧辊压下的辊缝设定、切边剪的开口设定等，APC的设定占有十分重要的地位。
关键词：位置控制器 变频装置 APC 目标位置
在轻合金的铝轧制系统中，APC系统的位置控制部分是由计算机系统、PLC系统与定位模块构成的。随着计算机技术的发展，专用化位置控制器产品以性能好、功能强、体积小、价格便宜、使用操作简单方便的特点，可用于众多场合的位置控制。另一方面，随着变频装置性能的提高，这样就为构成一种性能好、实用的APC系统创造了一个有利条件。在轻合金热轧机组中的辊缝调整及切边剪开口调整，用的就是这种由位置控制器与变频装置构成的APC系统。
一、APC系统的构成
该系统的构成见（图1）
主要由位置控制器、变频装置、计算机终端、可编程序控制器（PLC）及执行机构组成。
1.1位控器：是日本三菱公司生产的MELPLAC—2000型产品，采用微处理器全数字控制，模块式结构。由CPU底板、I/O模版、通信接口板及其他功能板构成。参数的输入、调整、显示可通过TCP/IP接口在计算机上实现。
1.2变频装置：采用的日本TMEIC公司的产品，其逆变器采用了IGBT功率器件模块，控制方式有U/F控制和矢量控制两种模式可选，控制系统为微机全数字处理。
1.3执行机构：交流调速电动机通过减速箱经丝杠驱动，位置检测PG为一线性传感器与丝杠同轴连接，分辨率为0.001mm。
1.4定位过程：在计算机终端上输入一个位置设定值，通过通信总线将这一设定值传送给位控器，待PLC给位控器和变频器分别发出运行信号后，位控器经处理运算后输出一个信号作为变频器的给定，变频器按照位控器输出的给定值控制电动机的起动、运行和减速制动停止在设定位置上。
二、位置控制环节
位置控制器调整原理框图如（图2）

调节过程如下：控制器根据传动装置的机器参数，预设定的位置和速度值，计算出速度时间特性曲线。在每一周期的开始时的速度值预设定到传动装置上进行预控制，同时反馈回来的实际值与位置预设定值进行比较计算，得出当时的偏差值，此偏差值乘以比例系数，得到的值叠加在速度预设定值上，得出传动装置应具有的速度控制信号，这个信号经速度/电压变换向传动系统的速度控制装置发出控制信号控制执行机构定位。
2.1位置控制的基本要求
电动机的速度一般按梯形速度图进行控制。最合理的速度图如（图3）

如图中的加减速度阶段S形曲线，开始时速度逐渐增长，可以避免冲击。减速阶段到最后的速度越来越小，有利于准确停在目标位置上。
为了准确对轧制设备进行控制，一般有以下几点要求
A、电动机实际转矩不得超过电动机和机械系统的最大允许转矩。
B、能在最短时间内完成定位，并且定位符合规定。
C、在控制过程中不应产生超调现象，且系统稳定。
2.2定位过程分析
基本定位过程曲线如（图4）

图4中0～t1为加速起动段，其加速率为＋αm。t1~t2为最高运转段，其速度为νm。t2~t3为减速制动段，其减速率为－αm。T3~t4为自由滑行段。对于定位精度要求不高或机械转动惯量不太大，并且电动机带有外接制动器的APC系统，上述曲线可以满足生产工艺要求。但对于定位精度要求高，机械转动惯量大的系统，可利用变频器的直流制动功能来获得好的效果。
三、变频调速环节
3.1变频装置构成如（图5）
主要由公用直流母线、IGBT逆变器、控制器三部分组成。
3.2变频装置的控制方式
电动机调速传动时，需要根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行控制。
变频装置的控制方式一般有以下三种：U/F控制、转差频率控制和矢量控制。
转差频率控制和矢量控制一般都是闭环控制，需要测速反馈。但由于控制内容复杂，对电动机有特殊的要求，因此在轧制设备的APC系统中一般均采用U/F控制方式的变频装置。
3.3U/F控制的特点
U/F控制方式，在改变频率的同时控制逆变器的输出电压成比例变化，使电动机磁通保持恒定，在整个调速范围内，使电动机的效率功率因数不下降。
U/F控制的构成如（图6）
变频器的控制脉冲发生器SPWM同时受控于频率设定值f*和电压指令U。而f*与U之间的关系是由U/F曲线发生器决定的，经SPWM控制后，变频器的市场频率f和输出电压U之间的关系，就是U/F曲线发生器所确定的关系。转速的改变是靠频率的设定值f*实现的。电动机的实际转速要根据负载大小即转差的大小来决定，负载变化时在f*不变的情况下，转子速度将随负载转矩变化而变化。
轻合金热轧设备的APC系统于06年10月投入运行以来，其运行状况或定位效果都很好，各项性能指标达到工艺设备要求。
用位置控制器与变频装置构成的APC系统，具有设计调试容易、使用方便、通用性强、定位性能好等优点。
参考文献：1、TMEIC轧机电气设备的用户说明 日本TMEIC公司 2004
2、王思晃编著 智能控制系统及其应用 机械工业出版社
3、韩安荣编著 通用变频器及其应用 机械工业出版社