我国舞台机械运动控制系统的模式及特色

时间：2024-05-19

刘长荣

（北京北特圣迪科技发展有限公司，北京 100028）

1 前言

舞台机械在欧洲已有上百年的发展历史，在亚洲虽然起步较晚，但发展比较迅速。在20世纪80年代以前，我国舞台机械大部分都是手动或局部电动控制的台上设备，台下设备只有少数剧场试验性地使用，控制系统非常简单。

1984年，中国剧院为配合大型音乐舞蹈史诗《中国革命之歌》的演出，设置了台上、台下全套舞台机械设备，并采用液压和数控技术，开创了我国大型舞台机械应用的先例。在其后的十几年中，我国舞台机械及控制系统一直徘徊在较低的水平，没有大的突破。

20世纪末，上海大剧院的建成和国家大剧院的正式启动，带动我国大、中型舞台的新建和改造工程进入一个高潮阶段，使我国大型舞台机械有了跨越式的发展，其控制水平也有了很大的提高，并建立了我国自己的控制模式。

今天，我国大型舞台机械控制系统已经形成了集网络化、集散化、自动化、智能化为一体的先进的控制模式。

2 运动控制系统

2.1 运动控制系统概述

按照被控变量，舞台机械控制系统的类型分为过程控制和运动控制。

运动控制以机械运动为主要方式，表现为直接对电机进行快速、高精度的控制，使运动部件或子系统按照预期的轨迹和规定的运行参数值完成相应的动作。主要被控变量是电机的位置、速度、加速度、转矩等参数。

运动控制系统的发展经历了从直流到交流，从开环到闭环，从模拟到数字，直到基于PC的伺服控制网络（PCBased SSCNET）系统和基于网络的运动控制系统的发展过程，每个过程都在很大程度上促进了运动控制系统的发展。19世纪80年代前，直流电气传动是惟一的电气传动方式。19 世纪末交流电气传动出现在工业应用领域，但在20世纪大部分时间，不变的格局是：直流调速而交流不调速。20世纪90年代，在先进的电力电子技术现代控制理论的支持下，交流调速具备了宽调速范围、高稳定精度、快速动态响应和四象限运行等良好性能，并显现出取代直流调速的趋势。

为实现系统的稳定、可靠和高精度运行，运动控制必须实行系统的闭环控制；对于不同的运动控制系统，闭环的模式也不一样。为实现速度的控制，可以采用电流环和速度环两环结构；为实现位置的跟踪，应采用位置环、速度环和电流环的三环结构。

目前流行的闭环控制模式主要分为矢量控制（或磁场定向控制）和直接转矩控制，这两种系统在本质上是一样的，都能获得较高的静、动态性能。

为实现运动控制系统的高性能控制，当前所采用的大部分闭环控制策略都可以归结为矢量控制或直接转矩控制，一些控制策略包括变结构控制、智能控制、反馈线性化、自适应控制等。

变频控制可以分为开环控制和闭环控制两种运行模式。开环运行模式如老式的变频器，只是对于供电频率实现变频；闭环变频模式如矢量控制和直接转矩控制。新式变频器加入了电流和速度闭环功能，既可以实现开环运行也可以实现闭环运行。

世界通用运动控制（General Motion Control，GMC）系统近几年发展很快，在大量的开放标准、各种平台、不断增长的功能、不同的架构、更广泛的解决方案等方面产生竞争。其中，由于主要供应商为推动不同运动控制网络的发展进行了大量投入，因而对标准运动控制网络之争最为活跃。

随着材料技术、电力电子技术、控制理论、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电动机制造工艺水平的逐步提高，世界通用运动控制系统将得到更大的发展。

2.2 运动控制系统的构成

运动控制系统的组合方式是多样的，有采用基于PC的运动控制卡 + 驱动器（变频器）+ AC电机模式，采用基于网络的运动控制器（轴控制器）+ 驱动器（变频器）+ AC电机模式，采用基于可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）的运动控制器 + 驱动器（变频器）+AC电机模式等各种组合模式。

无论哪一种模式都离不开驱动器，目前，舞台机械控制系统采用的驱动器一般为矢量变频器。

2.2.1 变频器

（1）发展过程

自20世纪80年代初问世以来，通用变频器进行了五次更新换代：第一代是20世纪80年代初的模拟式通用变频器；第二代是20世纪80年代中期的数字式通用变频器；第三代是20世纪90年代初的智能通用变频器；第四代是20世纪90年代中期的多功能通用变频器；第五代是21世纪发展的集中型通用变频器。

（2）控制方式

变频器控制技术中比较典型的有：U/f 恒定控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。

（3）多功能化和高性能化

多功能化和高性能的电力电子器件与控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微型计算机的应用，以其简单的硬件和丰富的软件功能，为变频器的多功能化和高性能化提供了可靠的保证。

多功能变频器集成了PLC的逻辑功能和轴控制器的运算功能，使具有位控功能的变频器可作为单轴的运动控制器与驱动器的组合体。图1为德国SEW传动设备公司的高端B系列多功能矢量变频器。

图1 SEW高端B系列多功能矢量变频器

2.2.2 PLC

现代PLC具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来，PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。图2为西门子公司的S7-400 高端PLC。

图2 西门子S7-400高端PLC

PLC具有以下控制功能：

开关量的逻辑控制，模拟量控制，运动控制，过程控制，数据处理，通信及联网。

PLC具有可靠性高、抗干扰能力强的特点。高可靠性是电气控制设备的关键性能。由于采用现代大规模集成电路技术和严格生产工艺制造，内部电路又采用了先进的抗干扰技术，PLC具有很高的可靠性。PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

80%以上的行业，80%以上的设备均可使用PLC。PLC与驱动器（变频器）组合可构成运动控制系统。

2.2.3 运动控制器（轴控制器）

当前运动控制器（轴控制器）中的一种是基于PC的运动控制卡，可以协调多轴运动控制系统，使得系统具有良好的控制性能。而另一种是基于网络的运动控制器，网络运动控制器使运动控制技术与网络技术有机结合。

运动控制器分为单轴控制和多轴控制。单轴控制只能控制单台电机的运动。多轴控制器可同时进行多变量控制，即同时控制多台电机按设定的程序及变量相互间协调地运动，从而达到实现各种变量参数的曲线、曲面空间的运动位置轨迹。

舞台机械运动一般为单轴控制，即与其他轴没有直接的耦合关系。早期运动控制器不具备网络功能，现代的运动控制器具有网络化功能，即网络运动控制器，可实现多机控制。

舞台机械控制系统中一般采用2轴或4轴网络运动控制器（轴控制器）。图3为西门子公司的最新一代运动控制器。

图3 西门子最新一代运动控制器

3 舞台机械运动对控制系统的要求

舞台机械运动概括而言，就是升降、推拉、旋转、倾翻等运动。舞台机械运动一般为单轴运动，相关的运动也只局限于同时或分时速度、位置的同步运动。运动的过程主要有以下要求。

3.1 对运动改变速度、加速度运行的要求

舞台机械运动对调速的要求：调速比≥1:100。

目前，国内舞台机械运动的最高速度为：1.8 m/s（国家大剧院吊杆的升降速度）；3.0 m/s（第29届奥运会、残奥会开闭幕式威亚升降速度）。

3.2 对运动位置精度定位的要求

舞台机械运动对定位精度的要求：定位精度≤±3 mm。

3.3 对多运动对象速度同步运行的要求

舞台机械运动对同步精度的要求：同步精度≤±（3 mm 5 mm）。

3.4 对运动设备安全保护及设备间连锁的要求

舞台机械允许在限定的范围内运行并保护；各机械设备之间的运动禁止出现干涉并连锁保护；在非正常状态下，紧急停车装置必须立即停止设备或设备组的一切运动；对有可能出现的人身及设备安全进行保护。

从以上四点可以看出，舞台机械运动对安全可靠性要求很高，但对控制速度、定位精度、同步精度都没有更高的要求，与数控系统的μ级精度还有一定的差距。

4 我国舞台机械运动控制系统的构成模式

现代舞台机械控制系统是运动控制系统在舞台机械控制中应用的一个分支，其核心是解决机械（如升降台、升降乐池、车台、转台和各种吊杆等设备）位移运动速度、加速度、转矩与位置的控制。

运动控制以自动控制理论为基础，以电机为控制对象，以控制为核心，以电力电子及功率变换装置为执行机构，组成高精度的电气传动系统。

当前，舞台机械的运动控制系统基本由控制器、变频器、电机三大部分组成，由变频器解决运动控制系统中的速度、加速度和转矩控制。

我国典型的舞台机械控制系统以双冗余PLC作为核心主站，通过高速工业网络（双网）与控制台上位机联接，上位机采用双冗余的工控机；通过高速现场总线（光纤环网）与下位机联接，下位机采用PLC远程终端及矢量变频器作为从站，直接控制和驱动舞台机械设备的运行。图4为我国典型的舞台机械控制系统框图。

图4 我国典型的舞台机械控制系统框图

我国舞台机械运动控制系统发展起步较晚，真正意义上的舞台机械运动控制系统是在20世纪90年代末到21世纪初建立的。而在此期间，国内外自动化控制领域发展迅速，控制方式有了很大的变革，其技术进步极大地推动了舞台机械控制技术和设备的发展。其中，最具代表性的是在运动控制系统迅速崛起的PLC和多功能矢量控制器。

因此，越过了国外舞台机械传统的“服务器（主站）+专业轴控制器（从站）+变频驱动器+交流电机”控制系统模式（见图5），采用控制领域国际流行的“PLC（主站）+多功能数字矢量控制变频器+交流电机”的通用设备组合的运动控制模式（见图6），是我国舞台机械运动控制系统的里程碑，应用这种模式可以在短时间内实现我国舞台控制系统的跨越式发展。

图5 “服务器（主站）+专业轴控制器（从站）+变频驱动器+交流电机”模式

“PLC（主站）+多功能数字矢量控制变频器+交流电机”的通用设备组合的运动控制模式，其核心是充分利用变频器的“位控+驱动”功能，由PLC补充变频器I/O逻辑控制的不足，实现舞台机械运动的控制需求，并由高端的PLC取代服务器。

5 我国舞台机械运动控制系统的主要特点

（1）基于国际流行的通用设备的集成有利于规避研发风险，大大地提高了系统研发成功率，缩短了系统研发周期

我国舞台机械控制系统选用的通用的PLC和变频器均为国际大公司如德国西门子公司、德国SEW公司、法国施耐德公司等公司的知名品牌，产品的性能、质量、可靠性、售后服务均有保障。因此，关键性设备不需要自己研发，降低了研发风险，缩短了研发周期，降低了研发成本，同时，也免去了研发中的设备试验、检测、认证等复杂的程序。

（2）充分发挥了多功能变频器的潜力

高端矢量控制变频器均具有位置控制、同步控制等多功能配置，其技术满足了舞台机械运动控制的三点主要需求，即具有超过1:100调试比的调速功能和多种平稳的加速度曲线、高精度的位控等一体化功能以及多台舞台机械设备的速度同步功能。

由矢量控制变频器即可完成对舞台机械的调速、升降速曲线、精确定位控制而不需要网络的支持，大大地增强了控制的可靠性。

（3）采用PLC也可实现多轴控制

PLC具有极高的运算速度（SIEMENS CPU- 417处理每条二进制指令的时间小于18 ns）、极高的可靠性、完善的网络功能、极强的运算及软件能力。基于此，PLC完全具备处理多变量函数的能力。因此，舞台机械即便有个别的多轴控制需求，也可以通过PLC实现。

（4）采用通用模式不存在技术壁垒，有利于广泛的售后服务

通用的PLC和变频器不是舞台机械厂家的专利产品，硬件与软件均具备市场化更换因素，对舞台机械厂家的依赖程度不高。

据不完全统计，2010年，我国从事PLC和变频器售后服务的技术人员达到百万人，具有广泛的技术服务人才群体。

（5）采用通用模式使产品价格透明，有利于降低成本

通用的PLC和变频器有众多的经销商群体，充分的竞争使产品价格非常透明，也有利于降低成本。

6 体现舞台机械控制系统先进性的七个特征

（1）安全、可靠性

舞台机械的运动直接关系到人员和设备的安全，演出中“救场如救火”的特点同样考验着舞台设备特别是控制设备的可靠性。因此，剧场舞台演出永远将安全、可靠性放在考核舞台机械及控制系统先进性的第一位。

（2）先进性

舞台机械控制系统是否先进和高档，不能只看局部，应全面地评价系统总体的档次。

（3）实用原则

舞台机械控制系统的功能以实用、够用为原则。这是因为舞台机械运动对控制系统的技术指标要求不高，从快速性到定位精度都不能与数控系统相提并论，单独追求高精度的技术指标必然增加控制设备的复杂程度，并带来高额的成本。

一般来说，在充分满足舞台机械运行的基础上，系统越简化、设备越简单，控制就越可靠。

（4）可操作性

舞台机械控制系统是由人（操作人员)来操作的，对先进的控制系统而言，在操作界面上越简化越好，傻瓜操作是控制界面所追求的方向。简言之，就是最大程度地满足操作人员简单操作的要求以及适合中国人的操作习惯，简单易学。

（5）可维护性

任何设备都达不到100%的可靠运行，舞台机械控制系统也是如此。系统出现故障后，首先要知道故障在哪里，是何种性质的故障；其次是如何维修和更换有故障的设备。先进的控制系统应具有故障自诊断功能，还应易于更换维修故障设备。

（6）可持续性

控制系统的生命周期为10年左右，长期的备品备件供应、软件的升级维护以及技术服务必须得到有效的保证。因此，控制系统所选用的设备宜为具有可持续发展的企业的产品。

（7）舞台控制系统的性价比

衡量一个系统的先进与否，性价比是一个很重要的指标，造价高的系统的性价比不一定好。要在以满足使用功能需要的基础上达到最佳性价比，把更多的资金用在刀刃上。

舞台机械控制系统的投资占总工程投资的比例的一般规律为：舞台机械整体投资越大的工程，舞台机械控制系统的投资所占总工程投资的比例越小；舞台机械整体投资越小的工程，舞台机械控制系统的投资所占总工程投资的比例越大。这是因为建立控制系统的基本配置的投资比较大；而且不论是大系统或小系统，只要对控制系统的基本要求相同，建立控制系统所必备的基本配置的投资规模差别并不大，所以，中小投资的舞台机械控制系统的投资对舞台机械工程整体投资的影响更明显。