升降舞臺同步控制方法研究與實現(xiàn)

     我國文藝舞臺的繁榮，各種劇場、演播廳等對舞臺自動化要求越來越高，相應對舞臺控制系統(tǒng)也提出了更高的要求。升降臺作為舞臺下機械設備中應用最廣泛的設備之一，以多種形式出現(xiàn)在各種劇院以及諸多國際知名音樂廳里。它具有快速遷換布景、根據(jù)表演的需求改變舞臺形式的特點，以滿足舞臺工藝布置和舞美設計的需要以及劇目編導人員的需求，達到豐富舞臺多功能的效果。

一、升降舞臺同步控制系統(tǒng)

（一）升降舞臺簡介

以3個升降臺的舞臺為背景，由3個升降臺構成一個圓形的升降舞臺。其中每個升降臺由一個45 kW電機來進行控制，電機主軸通過減速器與柔性齒條結合，把電機的旋轉運動變?yōu)樯蹬_的上升和下降運動。整個升降舞臺行程為舞臺臺面以下5.2 m到舞臺臺面以上1 m，且能在行程內進行精確定位；升降臺的速度調節(jié)范圍為0.0015一0.15 m/s；升降臺的定位精度為12mm，升降臺之間的同步精度為±13mm。

（二）同步控制簡介

在同步控制中，最常見的有主從控制和并行控制。主從控制，其結構以前一臺電機的速度輸出作為下一臺電機的給定速度。這種結構穩(wěn)態(tài)時同步性能好，但在電機啟動停止和負載擾動情況下控制對象之間會產生很大的同步誤差。并行控制方式采用同一給定速度，啟動停止時的同步性能好，但當一個控制對象出現(xiàn)擾動時，其他電機不能很好的跟隨。結合前兩種控制方式優(yōu)缺點，在并行控制中加人每一臺電機的反饋信息，即把每臺電機的偏差值加權補償?shù)矫恳慌_電機給定環(huán)節(jié)中去，得出偏差藕合的控制策略。

二、主從同步控制方式

（一）主從控制的工作原理

如何才能準確、高速地將主傳動的轉矩信號和速度信號，發(fā)送到從傳動變頻器，通過其對信號的計算，來實時地完成對主機的跟蹤和維護，這是主從控制的主要問題。而實現(xiàn)這個問題的方式，將取決于產品的型號規(guī)格。同時在不同場合中，可以采用不同的方法，來完成與傳動控制精度相對應的要求。

主機和從機變頻器，分別采用速度控制模式和從機速度控制模式來完成運行工作，而從機變頻器上，還要安裝上一個同步卡選件。

兩臺電機，都是利用增量型編碼器來完成信號的采集工作，然后將信號傳送到各自的變頻器，通過將編碼器信號從主機到從機同步卡的傳送，當成是參考點，來觀察從機的速度運行情況，其是隨主機的運行速度發(fā)生實時變化的，在主機與從機控制中，模式設定是不變的。

（二）主從控制方式的實現(xiàn)方法

以SEW電機MDX61B為例，來研究硬件的連接，先安裝一塊D5R11B同步卡到從機上，通過5芯I/O數(shù)字量信號和9芯編碼器信號，來連接主機和從機。

采用將從機同步卡上面的信號輸入端口和主機編碼器信號輸出端口連接的方式，同時還要將主機輸人端口信號和從機輸出端口相接。在設備的啟動過程中，通過主變頻器接收來源于外界的控制命令信號，同時帶動從變頻器的啟動，編碼器將主變頻器的速度轉化為信號。如果設備是同步運行，則從機必須大于主機的運行最高速度。其采用的是動態(tài)方式，來對二者之間的速度位置偏差進行調節(jié)，并將其設定在一個固定的范圍內。利用變頻器狀態(tài)菜單顯示，來觀察脈沖形式，確認主、從機之間的偏差。一旦偏差超過預設的范圍，則發(fā)出報警信號，隨后兩臺機器終止運行。

三、虛擬主軸同步控制方式

（一）虛擬主軸同步控制方式的布局形式

以臺上設備中的景吊桿應用為例。機械結構形式；20個景吊桿相互獨立，采取的電動機、減速機和傳動方式完全一致。電控配置:各電動機分別受各自的變頻器的控制；每個電機的編碼器信號都通過各自變頻器上安裝的運動控制卡來收集，反饋速度和位置。

（二）虛擬主軸的工作原理

虛擬主軸方式就是無主軸的方式，在系統(tǒng)中不存在物理主軸，“主軸”僅僅是數(shù)學模型，一切物理軸即是從動軸。系統(tǒng)中的任何一個運動控制卡都可以得到這個數(shù)學模型并跟隨這個數(shù)學模型運動。在系統(tǒng)中，虛擬主軸實際上是一個編碼器的信號仿真器，它以主機信號的形式服務于整個系統(tǒng)的同步運動。它要求系統(tǒng)在穩(wěn)定運行狀態(tài)下和運行中速度的每一個微分點上都實現(xiàn)同步。在執(zhí)行這個方式的過程中，各軸之間具有很強的時間同步性，不會出現(xiàn)時間差。

（三）虛擬主軸控制的實現(xiàn)方法

在硬件連接方面，運動控制卡在每個變頻器上都必須配備，每個卡上的都必須連接的設備是:編碼器信號輸入接口、數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出，直接采集限位開關、安全開關、景吊桿的速度信號和各種安全保護信號，運動控制卡獲取這些信號再經(jīng)過高速實時通訊發(fā)送到上一級的PLC系統(tǒng)。

運動控制長與變頻器結合起來，再加上運用虛擬主軸的控制方式，可以實現(xiàn)對各個設備之間同步運行和定位運行的精確控制。同時，通過對變頻器運動控制卡內部編程的運用，對許多復雜邏輯的控制使用非常簡單的方式就可以實現(xiàn)。這種控制模式相當于20個兵在將領的號子下齊步走，每個兵不用管別人的表現(xiàn)，只須聽將領的號子動作。

四、結論

綜上所述，對于劇院升降舞臺同步來說，集合劇院舞臺的實際情況，具有針對性的選擇同步控制方式，對于劇院來說，舞臺升降控制技術會隨著舞臺規(guī)模的逐漸變大而要求越來越高。因此，本文就對目前我國大多數(shù)劇院經(jīng)常采用的是主從控制方式和虛擬主軸控制方式兩種進行了深入的分析和研究，以便能夠為劇團升降舞臺的同步控制實現(xiàn)奠定良好的基礎。