舞臺(tái)機(jī)械飛行機(jī)構(gòu)防搖擺技術(shù)

龔建興，唐 剛

（1.甘肅工大舞臺(tái)技術(shù)工程有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.成都艾德特舞臺(tái)工程有限公司，四川 成都 610015）

舞臺(tái)機(jī)械飛行機(jī)構(gòu)裝置主要用于舞臺(tái)空中雜技表演，可移動(dòng)、可升降，其結(jié)構(gòu)與起重機(jī)類似，由吊具（升降）、平移小車組成。根據(jù)其用途，在舞臺(tái)機(jī)械專業(yè)中被稱為飛行機(jī)構(gòu)。飛行機(jī)構(gòu)升降吊具與平移機(jī)構(gòu)采用鋼絲繩連接，因此，吊具在移動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)搖擺現(xiàn)象，為了保證演出的藝術(shù)效果、演員的安全以及飛行機(jī)構(gòu)移動(dòng)中盡量不影響演員的動(dòng)作，飛行機(jī)構(gòu)的防搖及定位控制技術(shù)也得到了越來越廣泛的關(guān)注。

1 防搖擺理論

1.1 搖擺的產(chǎn)生

飛行機(jī)構(gòu)在加減速的過程中，吊物的運(yùn)動(dòng)總是落后平移小車的運(yùn)動(dòng)，從而在平移小車與吊物間形成夾角，在重力的作用下，速度變化時(shí)吊物會(huì)形成來回?fù)u擺的現(xiàn)象。

1.2 防搖擺方法

防搖擺方法主要有機(jī)械防搖擺、電氣控制防搖擺。機(jī)械防搖擺需要增加機(jī)械設(shè)備，導(dǎo)致飛行機(jī)構(gòu)自重增加且造價(jià)昂貴，因此很少采用。電氣控制防搖擺分閉環(huán)控制和開環(huán)控制。閉環(huán)控制需要有擺角測(cè)量裝置，配合控制算法實(shí)現(xiàn)；開環(huán)控制無需角度測(cè)量裝置，通過控制算法即可實(shí)現(xiàn)對(duì)行車的防搖擺控制，因此，這也是目前使用最廣泛的防搖擺方法。開環(huán)防搖擺的控制算法有好幾種，筆者介紹的控制系統(tǒng)采用最為常用的一種控制方法，速度防搖擺控制算法。由于速度防搖擺控制基于開環(huán)算法，因此不適合戶外飛行機(jī)構(gòu)，風(fēng)力影響大。

1.3 速度防搖擺控制原理

防搖擺控制是利用鐘擺原理，通過PLC控制器的防搖擺算法，控制發(fā)送給變頻器的速度命令信號(hào)而連續(xù)限制擺動(dòng)。通過檢測(cè)吊鉤的起升高度來計(jì)算擺動(dòng)的角度，然后通過給定的加速度和減速度來減小或抵消擺角，從而控制搖擺角度，實(shí)現(xiàn)防搖擺控制。防搖功能激活與防搖功能不激活情況下速度與時(shí)間的關(guān)系曲線見圖1和圖2。

圖1 防搖功能激活時(shí)速度與時(shí)間關(guān)系曲線

圖2 防搖功能不激活時(shí)速度與時(shí)間關(guān)系曲線

2 飛行機(jī)構(gòu)防搖擺控制系統(tǒng)組成

防搖控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、變頻器、監(jiān)控軟件、編碼器等組成。其速度防搖控制算法在PLC控制器中實(shí)現(xiàn)，下面以實(shí)際運(yùn)用項(xiàng)目銀川演藝中心飛行機(jī)構(gòu)為例做具體介紹。

圖3 系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖4 PLC編程過程

圖5 PID運(yùn)動(dòng)控制定位庫

圖6 上位機(jī)監(jiān)控軟件視圖一

2.1 系統(tǒng)配置

上位機(jī)監(jiān)控軟件使用STAGEAPPII（使用VS.NET開發(fā)），PLC使用施耐德M258，變頻器使用施耐德ATV71重載產(chǎn)品，使用增量式編碼進(jìn)行位置檢測(cè)及控制，系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

2.2 PLC控制器防搖擺控制庫

本項(xiàng)目將速度控制防搖擺算法寫成庫的形式調(diào)用，使用方便。PLC編程軟件采用施耐德SoMachine V4.2版本，利用ST結(jié)構(gòu)化文本編寫，見圖4。

2.3 定位控制庫

由于ATV71變頻器自身不帶定位功能，因此，定位算法依然在PLC控制器中實(shí)現(xiàn)。吊具升降屬于垂直升降運(yùn)動(dòng)，故直接采用PID運(yùn)動(dòng)控制定位算法實(shí)現(xiàn)，PID運(yùn)動(dòng)控制定位庫見圖5。

飛行機(jī)構(gòu)平移小車定位功能不能使用傳統(tǒng)的PID運(yùn)動(dòng)控制，本方案中利用防搖及PID運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)合的方式且進(jìn)行了部分調(diào)整后實(shí)現(xiàn)了防搖和定位的結(jié)合，控制精度能達(dá)到±25 mm，對(duì)于舞臺(tái)飛行機(jī)構(gòu)應(yīng)用而言已經(jīng)滿足需求。

2.4 上位機(jī)軟件功能

上位機(jī)監(jiān)控軟件使用STAGEAPPII，該監(jiān)控軟件使用VS.NET基于Windows開發(fā)，可運(yùn)行于WindowsXP/Windows7/Windowsvista等操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件主要用于設(shè)備命令（啟停、速度、位置命令）的下發(fā)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及參數(shù)設(shè)置等，見圖6和圖7。

圖7 上位機(jī)監(jiān)控軟件視圖二

3 結(jié)束語

通過銀川演藝中心飛行機(jī)構(gòu)項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)用，驗(yàn)證了速度開環(huán)防搖控制算法可以有效控制吊具的搖擺幅度，實(shí)際運(yùn)用中從0～100%的速度運(yùn)行，搖擺幅度均在±1.5°范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了防搖功能。由于該控制方案屬于開環(huán)控制，因此，其防搖效果受外界影響較大，如飛行機(jī)構(gòu)平移小車在移動(dòng)前需要盡量保持靜止，且不適合在戶外有風(fēng)的環(huán)境下使用。

[1]蔣國仁主編. 岸邊集裝箱起重機(jī)[M]. 武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2001.

[2]高淑玲等. 橋式吊車防擺控制[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,1988,7(1):1-4.