我國舞臺機械運動控制系統的模式及特色

劉長榮

（北京北特圣迪科技發展有限公司，北京 100028）

1 前言

舞臺機械在歐洲已有上百年的發展歷史，在亞洲雖然起步較晚，但發展比較迅速。在20世紀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備，臺下設備只有少數劇場試驗性地使用，控制系統非常簡單。

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，設置了臺上、臺下全套舞臺機械設備，并采用液壓和數控技術，開創了我國大型舞臺機械應用的先例。在其后的十幾年中，我國舞臺機械及控制系統一直徘徊在較低的水平，沒有大的突破。

20世紀末，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入一個高潮階段，使我國大型舞臺機械有了跨越式的發展，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已經形成了集網絡化、集散化、自動化、智能化為一體的先進的控制模式。

2 運動控制系統

2.1 運動控制系統概述

按照被控變量，舞臺機械控制系統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，表現為直接對電機進行快速、高精度的控制，使運動部件或子系統按照預期的軌跡和規定的運行參數值完成相應的動作。主要被控變量是電機的位置、速度、加速度、轉矩等參數。

運動控制系統的發展經歷了從直流到交流，從開環到閉環，從模擬到數字，直到基于PC的伺服控制網絡（PCBased SSCNET）系統和基于網絡的運動控制系統的發展過程，每個過程都在很大程度上促進了運動控制系統的發展。19世紀80年代前，直流電氣傳動是惟一的電氣傳動方式。19 世紀末交流電氣傳動出現在工業應用領域，但在20世紀大部分時間，不變的格局是：直流調速而交流不調速。20世紀90年代，在先進的電力電子技術現代控制理論的支持下，交流調速具備了寬調速范圍、高穩定精度、快速動態響應和四象限運行等良好性能，并顯現出取代直流調速的趨勢。

為實現系統的穩定、可靠和高精度運行，運動控制必須實行系統的閉環控制；對于不同的運動控制系統，閉環的模式也不一樣。為實現速度的控制，可以采用電流環和速度環兩環結構；為實現位置的跟蹤，應采用位置環、速度環和電流環的三環結構。

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

為實現運動控制系統的高性能控制，當前所采用的大部分閉環控制策略都可以歸結為矢量控制或直接轉矩控制，一些控制策略包括變結構控制、智能控制、反饋線性化、自適應控制等。

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

世界通用運動控制（General Motion Control，GMC）系統近幾年發展很快，在大量的開放標準、各種平臺、不斷增長的功能、不同的架構、更廣泛的解決方案等方面產生競爭。其中，由于主要供應商為推動不同運動控制網絡的發展進行了大量投入，因而對標準運動控制網絡之爭最為活躍。

隨著材料技術、電力電子技術、控制理論、計算機技術、微電子技術的快速發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將得到更大的發展。

2.2 運動控制系統的構成

運動控制系統的組合方式是多樣的，有采用基于PC的運動控制卡 + 驅動器（變頻器）+ AC電機模式，采用基于網絡的運動控制器（軸控制器）+ 驅動器（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動器，目前，舞臺機械控制系統采用的驅動器一般為矢量變頻器。

2.2.1 變頻器

（1）發展過程

自20世紀80年代初問世以來，通用變頻器進行了五次更新換代：第一代是20世紀80年代初的模擬式通用變頻器；第二代是20世紀80年代中期的數字式通用變頻器；第三代是20世紀90年代初的智能通用變頻器；第四代是20世紀90年代中期的多功能通用變頻器；第五代是21世紀發展的集中型通用變頻器。

（2）控制方式

變頻器控制技術中比較典型的有：U/f 恒定控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。

（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的不斷進步，使變頻器向多功能化和高性能化方向發展。特別是微型計算機的應用，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動器的組合體。圖1為德國SEW傳動設備公司的高端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

現代PLC具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來，PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。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：

開關量的邏輯控制，模擬量控制，運動控制，過程控制，數據處理，通信及聯網。

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備的關鍵性能。由于采用現代大規模集成電路技術和嚴格生產工藝制造，內部電路又采用了先進的抗干擾技術，PLC具有很高的可靠性。PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。

80%以上的行業，80%以上的設備均可使用PLC。PLC與驅動器（變頻器）組合可構成運動控制系統。

2.2.3 運動控制器（軸控制器）

當前運動控制器（軸控制器）中的一種是基于PC的運動控制卡，可以協調多軸運動控制系統，使得系統具有良好的控制性能。而另一種是基于網絡的運動控制器，網絡運動控制器使運動控制技術與網絡技術有機結合。

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行多變量控制，即同時控制多臺電機按設定的程序及變量相互間協調地運動，從而達到實現各種變量參數的曲線、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系。早期運動控制器不具備網絡功能，現代的運動控制器具有網絡化功能，即網絡運動控制器，可實現多機控制。

舞臺機械控制系統中一般采用2軸或4軸網絡運動控制器（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的要求

舞臺機械運動概括而言，就是升降、推拉、旋轉、傾翻等運動。舞臺機械運動一般為單軸運動，相關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

舞臺機械運動對調速的要求：調速比≥1:100。

目前，國內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 對運動設備安全保護及設備間連鎖的要求

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

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，與數控系統的μ級精度還有一定的差距。

4 我國舞臺機械運動控制系統的構成模式

現代舞臺機械控制系統是運動控制系統在舞臺機械控制中應用的一個分支，其核心是解決機械（如升降臺、升降樂池、車臺、轉臺和各種吊桿等設備）位移運動速度、加速度、轉矩與位置的控制。

運動控制以自動控制理論為基礎，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行機構，組成高精度的電氣傳動系統。

當前，舞臺機械的運動控制系統基本由控制器、變頻器、電機三大部分組成，由變頻器解決運動控制系統中的速度、加速度和轉矩控制。

我國典型的舞臺機械控制系統以雙冗余PLC作為核心主站，通過高速工業網絡（雙網）與控制臺上位機聯接，上位機采用雙冗余的工控機；通過高速現場總線（光纖環網）與下位機聯接，下位機采用PLC遠程終端及矢量變頻器作為從站，直接控制和驅動舞臺機械設備的運行。圖4為我國典型的舞臺機械控制系統框圖。

圖4 我國典型的舞臺機械控制系統框圖

我國舞臺機械運動控制系統發展起步較晚，真正意義上的舞臺機械運動控制系統是在20世紀90年代末到21世紀初建立的。而在此期間，國內外自動化控制領域發展迅速，控制方式有了很大的變革，其技術進步極大地推動了舞臺機械控制技術和設備的發展。其中，最具代表性的是在運動控制系統迅速崛起的PLC和多功能矢量控制器。

因此，越過了國外舞臺機械傳統的“服務器（主站）+專業軸控制器（從站）+變頻驅動器+交流電機”控制系統模式（見圖5），采用控制領域國際流行的“PLC（主站）+多功能數字矢量控制變頻器+交流電機”的通用設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的里程碑，應用這種模式可以在短時間內實現我國舞臺控制系統的跨越式發展。

圖5 “服務器（主站）+專業軸控制器（從站）+變頻驅動器+交流電機”模式

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

5 我國舞臺機械運動控制系統的主要特點

（1）基于國際流行的通用設備的集成有利于規避研發風險，大大地提高了系統研發成功率，縮短了系統研發周期

我國舞臺機械控制系統選用的通用的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，產品的性能、質量、可靠性、售后服務均有保障。因此，關鍵性設備不需要自己研發，降低了研發風險，縮短了研發周期，降低了研發成本，同時，也免去了研發中的設備試驗、檢測、認證等復雜的程序。

（2）充分發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調試比的調速功能和多種平穩的加速度曲線、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速、升降速曲線、精確定位控制而不需要網絡的支持，大大地增強了控制的可靠性。

（3）采用PLC也可實現多軸控制

PLC具有極高的運算速度（SIEMENS CPU- 417處理每條二進制指令的時間小于18 ns）、極高的可靠性、完善的網絡功能、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。

（4）采用通用模式不存在技術壁壘，有利于廣泛的售后服務

通用的PLC和變頻器不是舞臺機械廠家的專利產品，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。

據不完全統計，2010年，我國從事PLC和變頻器售后服務的技術人員達到百萬人，具有廣泛的技術服務人才群體。

（5）采用通用模式使產品價格透明，有利于降低成本

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

6 體現舞臺機械控制系統先進性的七個特征

（1）安全、可靠性

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

（2）先進性

舞臺機械控制系統是否先進和高檔，不能只看局部，應全面地評價系統總體的檔次。

（3）實用原則

舞臺機械控制系統的功能以實用、夠用為原則。這是因為舞臺機械運動對控制系統的技術指標要求不高，從快速性到定位精度都不能與數控系統相提并論，單獨追求高精度的技術指標必然增加控制設備的復雜程度，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上，系統越簡化、設備越簡單，控制就越可靠。

（4）可操作性

舞臺機械控制系統是由人（操作人員)來操作的，對先進的控制系統而言，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慣，簡單易學。

（5）可維護性

任何設備都達不到100%的可靠運行，舞臺機械控制系統也是如此。系統出現故障后，首先要知道故障在哪里，是何種性質的故障；其次是如何維修和更換有故障的設備。先進的控制系統應具有故障自診斷功能，還應易于更換維修故障設備。

（6）可持續性

控制系統的生命周期為10年左右，長期的備品備件供應、軟件的升級維護以及技術服務必須得到有效的保證。因此，控制系統所選用的設備宜為具有可持續發展的企業的產品。

（7）舞臺控制系統的性價比

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

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

7 結語

20世紀90年代末我國建立了自己的舞臺機械自動控制系統，在以后的十余年間，已經發展到集自動化、網絡化、智能化為一體的現代大型舞臺機械及計算機網絡自動控制系統，并成功地應用于全國幾百家大、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。

傳統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。國內新一代舞臺機械控制系統必將采用世界最先進的技術，服務于飛速發展的舞臺事業。

[1] 劉長榮，田廣軍，吳澗彤. 現代大型舞臺機械計算機網絡自動控制系統的研究與實踐. 演藝設備與科技，2004（4）

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