變頻技術(shù)在舞臺(tái)吊桿定位控制中的應(yīng)用

李 煒，李青朋，毛海杰 ，龔建興

（1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050；2.甘肅工大舞臺(tái)技術(shù)工程有限公司，蘭州 730050）

吊桿是劇場(chǎng)內(nèi)重要的舞臺(tái)設(shè)備之一，它具有提升道具、布景和燈具等功能[1]。實(shí)際演出過程中，經(jīng)常需要快速啟停，由于存在運(yùn)動(dòng)慣性和機(jī)械延時(shí)等各方面因素的影響，傳統(tǒng)的勻速控制策略往往很難滿足其高精度定位運(yùn)行的要求。針對(duì)上述問題，本文結(jié)合PLC、變頻二分法調(diào)速算法技術(shù)及增量式編碼器反饋技術(shù)以實(shí)現(xiàn)速度和位置檢測(cè)的雙閉環(huán)控制。該方法具有調(diào)速平穩(wěn)，調(diào)速范圍寬，對(duì)機(jī)械沖擊低，電動(dòng)機(jī)維護(hù)量大大降低等優(yōu)點(diǎn)，使吊桿系統(tǒng)最大程度地實(shí)現(xiàn)零速制動(dòng)，減少了定位誤差以實(shí)現(xiàn)設(shè)備?？烤_的目標(biāo)，并極大地改善了系統(tǒng)的安全可靠性能及運(yùn)行平穩(wěn)性能。

1 舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述

目前，我國(guó)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)主要包括臺(tái)上吊桿子系統(tǒng)和臺(tái)面升降臺(tái)子系統(tǒng)2大模塊，且常采用“上位機(jī)+可編程控制器（PLC）+變頻器+交流電機(jī)”的運(yùn)動(dòng)控制模式[2]，其舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1 舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of stage boom control system

其中，主機(jī)采用工控機(jī)作為上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和管理，并通過以太網(wǎng)與核心控制器PLC進(jìn)行通信，為發(fā)送運(yùn)行位置和運(yùn)行速度等參數(shù)信息提供了保障；S7-400 PLC通過Profibus-DP總線與NORD 700E系列變頻器通訊，從而帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)吊桿運(yùn)動(dòng)；編碼器的輸出信號(hào)送入變頻器集成的位置卡中，通過脈沖記數(shù)實(shí)現(xiàn)位置和速度的反饋，構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.1 雙閉環(huán)控制策略

本文采用變頻調(diào)速的雙閉環(huán)控制策略，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。此策略要求對(duì)速度和位置進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，通過雙閉環(huán)系統(tǒng)可使每道吊桿實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速和自動(dòng)定位。

圖2 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of double closed loop control

圖中，被控對(duì)象由變頻器和交流電機(jī)組成，控制器集成于變頻器中以提升速度快速跟蹤性能；切換機(jī)制和變速算法由PLC編程實(shí)現(xiàn)，當(dāng)超過設(shè)定的減速距離后會(huì)切換至變速算法曲線以實(shí)現(xiàn)速度平穩(wěn)下降，減少機(jī)械沖擊造成的定位不精確問題，從而保證了減速及制動(dòng)過程的平穩(wěn)及準(zhǔn)確，其相應(yīng)的控制過程分析如下：

1）用戶通過工控機(jī)給出預(yù)設(shè)位置、預(yù)設(shè)速度和預(yù)設(shè)減速開始制動(dòng)距離，利用增量式編碼器進(jìn)行速度檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制，同時(shí)將脈沖數(shù)通過位置計(jì)算來確定運(yùn)行的實(shí)際距離，并與預(yù)設(shè)位置相比較，形成位置的閉環(huán)控制。系統(tǒng)啟動(dòng)過程中，通過PI速度跟蹤控制器對(duì)速度進(jìn)行穩(wěn)定和快速跟蹤預(yù)定速度值，而位置計(jì)算值僅作為判斷減速制動(dòng)時(shí)機(jī)的依據(jù)。

2）當(dāng)接近預(yù)設(shè)位置（即達(dá)到預(yù)設(shè)減速制動(dòng)距離）時(shí)，位置反饋起主要作用。即變頻器會(huì)通過PProfibus-DP總線將脈沖信息傳輸至PLC，進(jìn)而通過位置計(jì)算得到實(shí)際位置，同時(shí)PLC根據(jù)預(yù)設(shè)位置值與實(shí)際位置值的差值和預(yù)設(shè)減速制動(dòng)距離進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)減速制動(dòng)距離范圍內(nèi)時(shí)，立即執(zhí)行PLC中的變速算法來確定要給出的速度值以實(shí)現(xiàn)速度均勻降低，最終以最低速度平穩(wěn)勻速運(yùn)行，一旦計(jì)算檢測(cè)到電機(jī)已經(jīng)運(yùn)行到預(yù)定位置誤差范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)給出抱閘信號(hào)迅速制動(dòng)，從而達(dá)到精確定位的要求。

1.2 變速算法的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)傳統(tǒng)勻速控制方案中存在吊桿定位誤差大、零速?？坎灰讓?shí)現(xiàn)等缺點(diǎn)，目前通常采用三段式、五段式及七段式速度控制模型以提升系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)可靠性[3-5]，但上述控制模型中的關(guān)鍵參數(shù)（如最大運(yùn)行速度以及加速段、減速段的加速度等）因受各種因素影響而很難確定到最佳狀態(tài)，且運(yùn)算復(fù)雜及PLC編程不易實(shí)現(xiàn)等，因此該方案的實(shí)現(xiàn)在某種程度上具有局限性。針對(duì)上述問題，本文在給定判斷吊桿減速制動(dòng)距離的基礎(chǔ)上，提出了式（1）、式（2）所示的舞臺(tái)吊桿二分法減速算法，該算法便于集成至PLC中，使控制系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，定位精確可靠，且方法簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)。

式中，n（t）的表達(dá)式如式（2）所示

其中：n0、y0、ys為預(yù)設(shè)給定速度、預(yù)設(shè)位置和預(yù)設(shè)減速開始制動(dòng)距離；N（t）為最終送入變頻器的速度運(yùn)行值。當(dāng)?shù)鯒U運(yùn)行的相對(duì)位置（y0-y，y為吊桿運(yùn)行的實(shí)際距離）未達(dá)到減速制動(dòng)范圍時(shí)，吊桿以設(shè)定速度n0快速運(yùn)行；達(dá)到時(shí)，按照對(duì)相對(duì)位置進(jìn)行二分法并在相應(yīng)的循環(huán)掃描周期內(nèi)計(jì)算減速速度值（即為 PLC 循環(huán)掃描周期），并以此速度減速運(yùn)行，一旦速度低于由PLC設(shè)定的最低速度ns時(shí)，以最低速度勻速運(yùn)行。

2 舞臺(tái)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)和下位PLC控制程序設(shè)計(jì)2部分組成。上位機(jī)用于發(fā)送吊桿設(shè)備的操作數(shù)據(jù)運(yùn)行信息及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示吊桿位置、速度信息等；下位PLC控制程序用以實(shí)現(xiàn)吊桿設(shè)備復(fù)雜的邏輯關(guān)系，使其達(dá)到基本動(dòng)作的目標(biāo)。

2.1 上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位監(jiān)控軟件采用高級(jí)語言VB6.0進(jìn)行程序開發(fā)設(shè)計(jì)，程序結(jié)構(gòu)實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)配置、設(shè)備控制、設(shè)備監(jiān)控等模塊。為實(shí)現(xiàn)吊桿運(yùn)行參數(shù)信息的實(shí)時(shí)傳輸，故而將OPC客戶端集成于上位機(jī)中，并采用OPC客戶端/服務(wù)器模式通信，通過以太網(wǎng)與下位PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中，系統(tǒng)配置查看所有舞臺(tái)設(shè)備，并設(shè)置相應(yīng)的限位狀態(tài)、用戶參數(shù)信息及OPC配置文件等，該功能完成與下位PLC正常的OPC通信、設(shè)置不同的登錄訪問權(quán)限及舞臺(tái)設(shè)備基本的管理信息以實(shí)現(xiàn)下位的安全運(yùn)行，為下位PLC執(zhí)行相應(yīng)的信息提供了保障；設(shè)備控制實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的上升/下降、左移/右移、定速/定位等運(yùn)行狀態(tài)，并向下位發(fā)送舞臺(tái)設(shè)備的速度、位置等運(yùn)行參數(shù)信息，是PLC控制設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)條件；設(shè)備監(jiān)控實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示舞臺(tái)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀況及實(shí)際狀態(tài)信息等，其上位軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上位軟件體系結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Block diagram of upper software systems

2.2 下位PLC控制程序設(shè)計(jì)

舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的下位PLC控制程序采用西門子Step7 V5.4編程工具、梯形圖編程語言方法進(jìn)行編程。其中，舞臺(tái)臺(tái)上吊桿模塊的運(yùn)行流程圖如圖4所示。

圖4 吊桿運(yùn)行流程圖Fig.4 Program flow chart of boom operation

圖中，變速算法為PLC編程的核心部分，當(dāng)有吊桿運(yùn)行參數(shù)后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用如圖5所示的變速算法子程序進(jìn)行速度計(jì)算，通過Profibus-DP總線控制變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)變速控制，并利用增量式編碼器的脈沖數(shù)進(jìn)行位置換算，計(jì)算出吊桿的當(dāng)前位置，并通過以太網(wǎng)顯示到上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

圖5 變速算法子程序流程圖Fig.5 Program flow chart of variable speed algorithm

3 結(jié)語

本文提出的舞臺(tái)調(diào)速吊桿變頻調(diào)速的雙閉環(huán)控制策略已在甘肅大劇院、武威大劇院等多家劇場(chǎng)應(yīng)用中驗(yàn)證了其可行性，通過變速算法實(shí)現(xiàn)吊桿零速制動(dòng)，解決了吊桿運(yùn)行過程中的運(yùn)動(dòng)慣性和機(jī)械延時(shí)等影響定位精度的問題，很大程度上提高了吊桿系統(tǒng)的定位控制精度。

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