我國舞臺機械運動控制系統(tǒng)的模式及特色

劉長榮

（北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司，北京 100028）

1 前言

舞臺機械在歐洲已有上百年的發(fā)展歷史，在亞洲雖然起步較晚，但發(fā)展比較迅速。在20世紀(jì)80年代以前，我國舞臺機械大部分都是手動或局部電動控制的臺上設(shè)備，臺下設(shè)備只有少數(shù)劇場試驗性地使用，控制系統(tǒng)非常簡單。

1984年，中國劇院為配合大型音樂舞蹈史詩《中國革命之歌》的演出，設(shè)置了臺上、臺下全套舞臺機械設(shè)備，并采用液壓和數(shù)控技術(shù)，開創(chuàng)了我國大型舞臺機械應(yīng)用的先例。在其后的十幾年中，我國舞臺機械及控制系統(tǒng)一直徘徊在較低的水平，沒有大的突破。

20世紀(jì)末，上海大劇院的建成和國家大劇院的正式啟動，帶動我國大、中型舞臺的新建和改造工程進(jìn)入一個高潮階段，使我國大型舞臺機械有了跨越式的發(fā)展，其控制水平也有了很大的提高，并建立了我國自己的控制模式。

今天，我國大型舞臺機械控制系統(tǒng)已經(jīng)形成了集網(wǎng)絡(luò)化、集散化、自動化、智能化為一體的先進(jìn)的控制模式。

2 運動控制系統(tǒng)

2.1 運動控制系統(tǒng)概述

按照被控變量，舞臺機械控制系統(tǒng)的類型分為過程控制和運動控制。

運動控制以機械運動為主要方式，表現(xiàn)為直接對電機進(jìn)行快速、高精度的控制，使運動部件或子系統(tǒng)按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運行參數(shù)值完成相應(yīng)的動作。主要被控變量是電機的位置、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

運動控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從直流到交流，從開環(huán)到閉環(huán)，從模擬到數(shù)字，直到基于PC的伺服控制網(wǎng)絡(luò)（PCBased SSCNET）系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)的運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程，每個過程都在很大程度上促進(jìn)了運動控制系統(tǒng)的發(fā)展。19世紀(jì)80年代前，直流電氣傳動是惟一的電氣傳動方式。19 世紀(jì)末交流電氣傳動出現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，但在20世紀(jì)大部分時間，不變的格局是：直流調(diào)速而交流不調(diào)速。20世紀(jì)90年代，在先進(jìn)的電力電子技術(shù)現(xiàn)代控制理論的支持下，交流調(diào)速具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)定精度、快速動態(tài)響應(yīng)和四象限運行等良好性能，并顯現(xiàn)出取代直流調(diào)速的趨勢。

為實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠和高精度運行，運動控制必須實行系統(tǒng)的閉環(huán)控制；對于不同的運動控制系統(tǒng)，閉環(huán)的模式也不一樣。為實現(xiàn)速度的控制，可以采用電流環(huán)和速度環(huán)兩環(huán)結(jié)構(gòu)；為實現(xiàn)位置的跟蹤，應(yīng)采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三環(huán)結(jié)構(gòu)。

目前流行的閉環(huán)控制模式主要分為矢量控制（或磁場定向控制）和直接轉(zhuǎn)矩控制，這兩種系統(tǒng)在本質(zhì)上是一樣的，都能獲得較高的靜、動態(tài)性能。

為實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)的高性能控制，當(dāng)前所采用的大部分閉環(huán)控制策略都可以歸結(jié)為矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制，一些控制策略包括變結(jié)構(gòu)控制、智能控制、反饋線性化、自適應(yīng)控制等。

變頻控制可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種運行模式。開環(huán)運行模式如老式的變頻器，只是對于供電頻率實現(xiàn)變頻；閉環(huán)變頻模式如矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。新式變頻器加入了電流和速度閉環(huán)功能，既可以實現(xiàn)開環(huán)運行也可以實現(xiàn)閉環(huán)運行。

世界通用運動控制（General Motion Control，GMC）系統(tǒng)近幾年發(fā)展很快，在大量的開放標(biāo)準(zhǔn)、各種平臺、不斷增長的功能、不同的架構(gòu)、更廣泛的解決方案等方面產(chǎn)生競爭。其中，由于主要供應(yīng)商為推動不同運動控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)行了大量投入，因而對標(biāo)準(zhǔn)運動控制網(wǎng)絡(luò)之爭最為活躍。

隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電動機制造工藝水平的逐步提高，世界通用運動控制系統(tǒng)將得到更大的發(fā)展。

2.2 運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成

運動控制系統(tǒng)的組合方式是多樣的，有采用基于PC的運動控制卡 + 驅(qū)動器（變頻器）+ AC電機模式，采用基于網(wǎng)絡(luò)的運動控制器（軸控制器）+ 驅(qū)動器（變頻器）+ AC電機模式，采用基于可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）的運動控制器 + 驅(qū)動器（變頻器）+AC電機模式等各種組合模式。

無論哪一種模式都離不開驅(qū)動器，目前，舞臺機械控制系統(tǒng)采用的驅(qū)動器一般為矢量變頻器。

2.2.1 變頻器

（1）發(fā)展過程

自20世紀(jì)80年代初問世以來，通用變頻器進(jìn)行了五次更新?lián)Q代：第一代是20世紀(jì)80年代初的模擬式通用變頻器；第二代是20世紀(jì)80年代中期的數(shù)字式通用變頻器；第三代是20世紀(jì)90年代初的智能通用變頻器；第四代是20世紀(jì)90年代中期的多功能通用變頻器；第五代是21世紀(jì)發(fā)展的集中型通用變頻器。

（2）控制方式

變頻器控制技術(shù)中比較典型的有：U/f 恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。

（3）多功能化和高性能化

多功能化和高性能的電力電子器件與控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使變頻器向多功能化和高性能化方向發(fā)展。特別是微型計算機的應(yīng)用，以其簡單的硬件和豐富的軟件功能，為變頻器的多功能化和高性能化提供了可靠的保證。

多功能變頻器集成了PLC的邏輯功能和軸控制器的運算功能，使具有位控功能的變頻器可作為單軸的運動控制器與驅(qū)動器的組合體。圖1為德國SEW傳動設(shè)備公司的高端B系列多功能矢量變頻器。

圖1 SEW高端B系列多功能矢量變頻器

2.2.2 PLC

現(xiàn)代PLC具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來，PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。圖2為西門子公司的S7-400 高端PLC。

圖2 西門子S7-400高端PLC

PLC具有以下控制功能：

開關(guān)量的邏輯控制，模擬量控制，運動控制，過程控制，數(shù)據(jù)處理，通信及聯(lián)網(wǎng)。

PLC具有可靠性高、抗干擾能力強的特點。高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)和嚴(yán)格生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路又采用了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，PLC具有很高的可靠性。PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。

80%以上的行業(yè)，80%以上的設(shè)備均可使用PLC。PLC與驅(qū)動器（變頻器）組合可構(gòu)成運動控制系統(tǒng)。

2.2.3 運動控制器（軸控制器）

當(dāng)前運動控制器（軸控制器）中的一種是基于PC的運動控制卡，可以協(xié)調(diào)多軸運動控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)具有良好的控制性能。而另一種是基于網(wǎng)絡(luò)的運動控制器，網(wǎng)絡(luò)運動控制器使運動控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機結(jié)合。

運動控制器分為單軸控制和多軸控制。單軸控制只能控制單臺電機的運動。多軸控制器可同時進(jìn)行多變量控制，即同時控制多臺電機按設(shè)定的程序及變量相互間協(xié)調(diào)地運動，從而達(dá)到實現(xiàn)各種變量參數(shù)的曲線、曲面空間的運動位置軌跡。

舞臺機械運動一般為單軸控制，即與其他軸沒有直接的耦合關(guān)系。早期運動控制器不具備網(wǎng)絡(luò)功能，現(xiàn)代的運動控制器具有網(wǎng)絡(luò)化功能，即網(wǎng)絡(luò)運動控制器，可實現(xiàn)多機控制。

舞臺機械控制系統(tǒng)中一般采用2軸或4軸網(wǎng)絡(luò)運動控制器（軸控制器）。圖3為西門子公司的最新一代運動控制器。

圖3 西門子最新一代運動控制器

3 舞臺機械運動對控制系統(tǒng)的要求

舞臺機械運動概括而言，就是升降、推拉、旋轉(zhuǎn)、傾翻等運動。舞臺機械運動一般為單軸運動，相關(guān)的運動也只局限于同時或分時速度、位置的同步運動。運動的過程主要有以下要求。

3.1 對運動改變速度、加速度運行的要求

舞臺機械運動對調(diào)速的要求：調(diào)速比≥1:100。

目前，國內(nèi)舞臺機械運動的最高速度為：1.8 m/s（國家大劇院吊桿的升降速度）；3.0 m/s（第29屆奧運會、殘奧會開閉幕式威亞升降速度）。

3.2 對運動位置精度定位的要求

舞臺機械運動對定位精度的要求：定位精度≤±3 mm。

3.3 對多運動對象速度同步運行的要求

舞臺機械運動對同步精度的要求：同步精度≤±（3 mm 5 mm）。

3.4 對運動設(shè)備安全保護(hù)及設(shè)備間連鎖的要求

舞臺機械允許在限定的范圍內(nèi)運行并保護(hù)；各機械設(shè)備之間的運動禁止出現(xiàn)干涉并連鎖保護(hù)；在非正常狀態(tài)下，緊急停車裝置必須立即停止設(shè)備或設(shè)備組的一切運動；對有可能出現(xiàn)的人身及設(shè)備安全進(jìn)行保護(hù)。

從以上四點可以看出，舞臺機械運動對安全可靠性要求很高，但對控制速度、定位精度、同步精度都沒有更高的要求，與數(shù)控系統(tǒng)的μ級精度還有一定的差距。

4 我國舞臺機械運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成模式

現(xiàn)代舞臺機械控制系統(tǒng)是運動控制系統(tǒng)在舞臺機械控制中應(yīng)用的一個分支，其核心是解決機械（如升降臺、升降樂池、車臺、轉(zhuǎn)臺和各種吊桿等設(shè)備）位移運動速度、加速度、轉(zhuǎn)矩與位置的控制。

運動控制以自動控制理論為基礎(chǔ)，以電機為控制對象，以控制為核心，以電力電子及功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，組成高精度的電氣傳動系統(tǒng)。

當(dāng)前，舞臺機械的運動控制系統(tǒng)基本由控制器、變頻器、電機三大部分組成，由變頻器解決運動控制系統(tǒng)中的速度、加速度和轉(zhuǎn)矩控制。

我國典型的舞臺機械控制系統(tǒng)以雙冗余PLC作為核心主站，通過高速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（雙網(wǎng)）與控制臺上位機聯(lián)接，上位機采用雙冗余的工控機；通過高速現(xiàn)場總線（光纖環(huán)網(wǎng)）與下位機聯(lián)接，下位機采用PLC遠(yuǎn)程終端及矢量變頻器作為從站，直接控制和驅(qū)動舞臺機械設(shè)備的運行。圖4為我國典型的舞臺機械控制系統(tǒng)框圖。

圖4 我國典型的舞臺機械控制系統(tǒng)框圖

我國舞臺機械運動控制系統(tǒng)發(fā)展起步較晚，真正意義上的舞臺機械運動控制系統(tǒng)是在20世紀(jì)90年代末到21世紀(jì)初建立的。而在此期間，國內(nèi)外自動化控制領(lǐng)域發(fā)展迅速，控制方式有了很大的變革，其技術(shù)進(jìn)步極大地推動了舞臺機械控制技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展。其中，最具代表性的是在運動控制系統(tǒng)迅速崛起的PLC和多功能矢量控制器。

因此，越過了國外舞臺機械傳統(tǒng)的“服務(wù)器（主站）+專業(yè)軸控制器（從站）+變頻驅(qū)動器+交流電機”控制系統(tǒng)模式（見圖5），采用控制領(lǐng)域國際流行的“PLC（主站）+多功能數(shù)字矢量控制變頻器+交流電機”的通用設(shè)備組合的運動控制模式（見圖6），是我國舞臺機械運動控制系統(tǒng)的里程碑，應(yīng)用這種模式可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)我國舞臺控制系統(tǒng)的跨越式發(fā)展。

圖5 “服務(wù)器（主站）+專業(yè)軸控制器（從站）+變頻驅(qū)動器+交流電機”模式

“PLC（主站）+多功能數(shù)字矢量控制變頻器+交流電機”的通用設(shè)備組合的運動控制模式，其核心是充分利用變頻器的“位控+驅(qū)動”功能，由PLC補充變頻器I/O邏輯控制的不足，實現(xiàn)舞臺機械運動的控制需求，并由高端的PLC取代服務(wù)器。

5 我國舞臺機械運動控制系統(tǒng)的主要特點

（1）基于國際流行的通用設(shè)備的集成有利于規(guī)避研發(fā)風(fēng)險，大大地提高了系統(tǒng)研發(fā)成功率，縮短了系統(tǒng)研發(fā)周期

我國舞臺機械控制系統(tǒng)選用的通用的PLC和變頻器均為國際大公司如德國西門子公司、德國SEW公司、法國施耐德公司等公司的知名品牌，產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、可靠性、售后服務(wù)均有保障。因此，關(guān)鍵性設(shè)備不需要自己研發(fā)，降低了研發(fā)風(fēng)險，縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本，同時，也免去了研發(fā)中的設(shè)備試驗、檢測、認(rèn)證等復(fù)雜的程序。

（2）充分發(fā)揮了多功能變頻器的潛力

高端矢量控制變頻器均具有位置控制、同步控制等多功能配置，其技術(shù)滿足了舞臺機械運動控制的三點主要需求，即具有超過1:100調(diào)試比的調(diào)速功能和多種平穩(wěn)的加速度曲線、高精度的位控等一體化功能以及多臺舞臺機械設(shè)備的速度同步功能。

由矢量控制變頻器即可完成對舞臺機械的調(diào)速、升降速曲線、精確定位控制而不需要網(wǎng)絡(luò)的支持，大大地增強了控制的可靠性。

（3）采用PLC也可實現(xiàn)多軸控制

PLC具有極高的運算速度（SIEMENS CPU- 417處理每條二進(jìn)制指令的時間小于18 ns）、極高的可靠性、完善的網(wǎng)絡(luò)功能、極強的運算及軟件能力。基于此，PLC完全具備處理多變量函數(shù)的能力。因此，舞臺機械即便有個別的多軸控制需求，也可以通過PLC實現(xiàn)。

（4）采用通用模式不存在技術(shù)壁壘，有利于廣泛的售后服務(wù)

通用的PLC和變頻器不是舞臺機械廠家的專利產(chǎn)品，硬件與軟件均具備市場化更換因素，對舞臺機械廠家的依賴程度不高。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2010年，我國從事PLC和變頻器售后服務(wù)的技術(shù)人員達(dá)到百萬人，具有廣泛的技術(shù)服務(wù)人才群體。

（5）采用通用模式使產(chǎn)品價格透明，有利于降低成本

通用的PLC和變頻器有眾多的經(jīng)銷商群體，充分的競爭使產(chǎn)品價格非常透明，也有利于降低成本。

6 體現(xiàn)舞臺機械控制系統(tǒng)先進(jìn)性的七個特征

（1）安全、可靠性

舞臺機械的運動直接關(guān)系到人員和設(shè)備的安全，演出中“救場如救火”的特點同樣考驗著舞臺設(shè)備特別是控制設(shè)備的可靠性。因此，劇場舞臺演出永遠(yuǎn)將安全、可靠性放在考核舞臺機械及控制系統(tǒng)先進(jìn)性的第一位。

（2）先進(jìn)性

舞臺機械控制系統(tǒng)是否先進(jìn)和高檔，不能只看局部，應(yīng)全面地評價系統(tǒng)總體的檔次。

（3）實用原則

舞臺機械控制系統(tǒng)的功能以實用、夠用為原則。這是因為舞臺機械運動對控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求不高，從快速性到定位精度都不能與數(shù)控系統(tǒng)相提并論，單獨追求高精度的技術(shù)指標(biāo)必然增加控制設(shè)備的復(fù)雜程度，并帶來高額的成本。

一般來說，在充分滿足舞臺機械運行的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)越簡化、設(shè)備越簡單，控制就越可靠。

（4）可操作性

舞臺機械控制系統(tǒng)是由人（操作人員)來操作的，對先進(jìn)的控制系統(tǒng)而言，在操作界面上越簡化越好，傻瓜操作是控制界面所追求的方向。簡言之，就是最大程度地滿足操作人員簡單操作的要求以及適合中國人的操作習(xí)慣，簡單易學(xué)。

（5）可維護(hù)性

任何設(shè)備都達(dá)不到100%的可靠運行，舞臺機械控制系統(tǒng)也是如此。系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，首先要知道故障在哪里，是何種性質(zhì)的故障；其次是如何維修和更換有故障的設(shè)備。先進(jìn)的控制系統(tǒng)應(yīng)具有故障自診斷功能，還應(yīng)易于更換維修故障設(shè)備。

（6）可持續(xù)性

控制系統(tǒng)的生命周期為10年左右，長期的備品備件供應(yīng)、軟件的升級維護(hù)以及技術(shù)服務(wù)必須得到有效的保證。因此，控制系統(tǒng)所選用的設(shè)備宜為具有可持續(xù)發(fā)展的企業(yè)的產(chǎn)品。

（7）舞臺控制系統(tǒng)的性價比

衡量一個系統(tǒng)的先進(jìn)與否，性價比是一個很重要的指標(biāo)，造價高的系統(tǒng)的性價比不一定好。要在以滿足使用功能需要的基礎(chǔ)上達(dá)到最佳性價比，把更多的資金用在刀刃上。

舞臺機械控制系統(tǒng)的投資占總工程投資的比例的一般規(guī)律為：舞臺機械整體投資越大的工程，舞臺機械控制系統(tǒng)的投資所占總工程投資的比例越?。晃枧_機械整體投資越小的工程，舞臺機械控制系統(tǒng)的投資所占總工程投資的比例越大。這是因為建立控制系統(tǒng)的基本配置的投資比較大；而且不論是大系統(tǒng)或小系統(tǒng)，只要對控制系統(tǒng)的基本要求相同，建立控制系統(tǒng)所必備的基本配置的投資規(guī)模差別并不大，所以，中小投資的舞臺機械控制系統(tǒng)的投資對舞臺機械工程整體投資的影響更明顯。

7 結(jié)語

20世紀(jì)90年代末我國建立了自己的舞臺機械自動控制系統(tǒng)，在以后的十余年間，已經(jīng)發(fā)展到集自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為一體的現(xiàn)代大型舞臺機械及計算機網(wǎng)絡(luò)自動控制系統(tǒng)，并成功地應(yīng)用于全國幾百家大、中型劇場及各大型慶典演出活動中，特別是圓滿完成了2008年北京第29屆奧運會和殘運會的開閉幕式舞臺控制任務(wù)。

傳統(tǒng)舞臺機械一般為單軸控制及同步控制，尚不滿足具有實際意義的多軸運動控制的需求，但隨著今后舞臺機械的發(fā)展，各種具有高精確要求的曲線、曲面運動控制將由性能更高的運動控制器來實現(xiàn)。國內(nèi)新一代舞臺機械控制系統(tǒng)必將采用世界最先進(jìn)的技術(shù)，服務(wù)于飛速發(fā)展的舞臺事業(yè)。

[1] 劉長榮，田廣軍，吳澗彤. 現(xiàn)代大型舞臺機械計算機網(wǎng)絡(luò)自動控制系統(tǒng)的研究與實踐. 演藝設(shè)備與科技，2004（4）

[2] 王家軍，齊冬蓮. 運動控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望. 電氣時代，2004（10）