舞臺機械技術(shù)與設(shè)備系列談（七）
——演藝秀場舞臺機械的定位及同步控制

董令波，侯鵬強

（1. 天津舞臺科學技術(shù)研究所，天津 300050； 2. 成都炎興自動化工程有限公司，四川 成都 610052）

演藝秀又稱旅游秀，根據(jù)場地條件可分為室外實景演出和室內(nèi)演藝秀兩種。室外實景演出是國內(nèi)演藝秀最初的發(fā)展形態(tài)，主要是結(jié)合當?shù)氐穆糜钨Y源，以真山真水為舞臺背景，采用高科技手段，表現(xiàn)當?shù)孛袼缀臀幕Ｓ捎谘菟囆愣嗍橇可泶蛟欤匝菟囆銏鎏攸c鮮明。由于中國幅員遼闊，很多地區(qū)受氣候和演出時間的制約，室外實景演出受到一定的室外環(huán)境的制約，越來越多的室內(nèi)演藝秀應(yīng)運而生，其演藝秀場與傳統(tǒng)的歌劇院、戲劇院、話劇院、音樂廳、多功能廳等演出場所相比，不是用于巡演劇目，而是演出某一主題的固定劇目，配套的建筑、舞臺設(shè)備、周邊設(shè)施都為該劇目量身打造，具有很強的主題性和獨特性。

圖1 具有鮮明主題的演藝秀

近年來，中國新建了不少的演藝秀場，如重慶《歸來三峽》、陜西漢中《漢頌》、四川峨眉《只有峨眉山》（見圖1）、寧夏《西江盛典》、山東《尼山圣境》等。這些秀場借助舞臺技術(shù)手段和藝術(shù)表現(xiàn)手法，給人更為真實、震撼的感覺，對景區(qū)旅游起到了很好的拉動作用。

演藝秀場類機械設(shè)備的設(shè)計限制較多，常常受限于舞臺的空間尺寸、環(huán)境因素、表演形式、需要呈現(xiàn)的效果等，設(shè)計難度較大，需要的特殊種類的設(shè)備較多。如基于水下升降平臺的設(shè)計、基于多電機剛性同步的設(shè)計等，也對演藝秀場機械所需的電控提出了更高要求。筆者針對演藝秀場機械設(shè)計中定位及同步控制常見的問題，根據(jù)不同應(yīng)用狀態(tài)及實際經(jīng)驗給出相應(yīng)的解決方案，并歸納出控制系統(tǒng)的共性。

1 不同應(yīng)用形態(tài)下的定位及同步控制

演藝秀場涉及的機械設(shè)計問題較多，筆者主要針對實踐中遇到的常見問題進行梳理，并給出解決的方法。

1.1 液壓驅(qū)動下的定位和同步

相比電機直接驅(qū)動，液壓驅(qū)動由于安裝簡單、防水、驅(qū)動力可做到更大等特性廣泛應(yīng)用于各種秀場中。但液壓驅(qū)動也有自身的不足，如液壓運行相對精度不高、受外部環(huán)境影響大、控制難度大等缺點，限制了液壓驅(qū)動在演藝秀場方面的一些應(yīng)用。

液壓驅(qū)動在演藝秀場的使用中，對其控制需要注意如下情況。

（1）單缸驅(qū)動方式相對簡單，控制難度較低，但通常此類應(yīng)用場所較少，單缸可頂升或者提升的設(shè)備都較小，可通過電機直驅(qū)的方式來替換。單缸在有位置定位要求的情況下，可增加拉線或者直線位移傳感器，通過PLC采集位置信息進行PID調(diào)節(jié)，從而達到定位要求。

（2）多缸同步，這種應(yīng)用方式最為常見。比如一個升降平臺通過4個液壓缸頂升驅(qū)動。相對簡單的方式為采用同步閥進行直接分配，多數(shù)液壓廠家都有對應(yīng)的產(chǎn)品提供，精度基本夠用，但使用不靈活，有些場合不一定能用，后期需要對油路進行維護保養(yǎng)，而且，同步的缸數(shù)量受限，對于更多缸的同步實現(xiàn)有難度。比較復雜但更靈活的方式是采用電同步，每個缸單獨配置位移傳感器和比例閥（或者伺服閥），通過PLC采集位置傳感器值，并且根據(jù)轉(zhuǎn)換過后的位置值調(diào)節(jié)每個閥輸出大小，從而實現(xiàn)缸的同步。

如圖2所示，為某實景演出用的表演船，船下設(shè)置4條液壓驅(qū)動的導軌，通過液壓缸的伸縮可帶動船體進行水中升降，模擬船體沉沒的過程，船體升降行程可達3 m。系統(tǒng)采用的控制方案如圖3所示，整個系統(tǒng)采用4組完全獨立的液壓缸進行整個船體的驅(qū)動，通過PLC輸出模擬量，驅(qū)動比例閥運行，同時PLC采集四路油缸的位移信息，并進行對應(yīng)的速度調(diào)節(jié)，保證四個液壓缸的同步。在系統(tǒng)中設(shè)置了誤差區(qū)間，為了保證安全，在誤差值超過一定量時將停止四個缸的運行。

圖2 實景演出液壓表演船

圖3 液壓的控制框圖

1.2 多電機驅(qū)動下的同步控制

演藝秀場常會遇到需要多個電機剛性同步的應(yīng)用，比如一個升降平臺，受限于安裝空間或運行空間，無法采用單電機驅(qū)動傳動軸互聯(lián)的方式，需要采用2臺以上的電機同時驅(qū)動。為了實現(xiàn)硬性同步，一般需要配置2個編碼器，1個增量編碼器，1個多圈絕對值編碼器。增量編碼器一般用來作為速度環(huán)進行速度調(diào)節(jié)，多圈絕對值編碼器做最終位置調(diào)節(jié)，多圈旋轉(zhuǎn)的最大圈數(shù)應(yīng)該大于絕對值編碼器最大行程所需圈數(shù)。用多圈絕對值編碼器主要是為了實現(xiàn)由工程人員調(diào)試完成后，后續(xù)可交給普通的維護人員來維護，基本消除由于增量編碼器脈沖丟失或者干擾帶來的位置積累誤差。

上海某場館的一個升降平臺，由于基坑受限，無法像常規(guī)升降平臺設(shè)計地軸傳動，配置了3臺11 kW電機，分別從不同的位置進行平臺的頂升。系統(tǒng)配置了3個變頻器分別驅(qū)動3臺電機，而不是采用一個大功率變頻器驅(qū)動3臺電機，配置了6個編碼器，每臺電機均是雙編碼器配置。同時，為了考慮應(yīng)急情況，還為系統(tǒng)配置了一套應(yīng)急操作系統(tǒng)，采用1臺37 kW的變頻器進行3臺電機的直接驅(qū)動；并考慮了安全開關(guān)的設(shè)置，在應(yīng)急操作模式下，編碼器未接入應(yīng)急系統(tǒng)，故無法判斷設(shè)備的運行情況，要求操作員在設(shè)備運行過程中進行嚴格的設(shè)備運行確認和實時觀察。

除了剛性同步，有時候還需要考慮其他類型的同步，或者同步中需要考慮的其他問題。比如某秀場中采用了4條長度為100多米的剛性鏈板傳送帶（見圖4），傳送帶兩側(cè)各放置一臺電機，運行過程中需要2臺電機同步。由于整個傳送帶跨度較大，又采用剛性材質(zhì)，而運行過程中傳送帶運行的時間和距離又特別大。這種情況下2臺電機的傳動機構(gòu)無法做到完全一致，累積的誤差會越來越大且不易消除，故該同步方式不僅需要考慮基于編碼器的位置同步，還需要考慮電機本身的力矩問題，將變頻器的電流等因素都需要一并考慮，否則就會出現(xiàn)電機同步過程中單臺電機由于電流過大造成過載停機。

1.3 速比不一致設(shè)備的同步

對于多數(shù)演藝秀場的機械類設(shè)備而言，有部分設(shè)備的最大速度并不一致，但應(yīng)用中，會要求該類設(shè)備之間做速度和位置的同步。比如，9個升降平臺，臺體大小不一樣，設(shè)備電機功率不一樣，最大速度也不一樣，但是使用中需要將不同的升降平臺進行組合同步運行。該種模式下，需要將設(shè)備的運行速度全部量化為統(tǒng)一的單位，不可采用百分比或者其他的量化方式；還要考慮變頻驅(qū)動設(shè)備在啟動過程中由于勵磁時間不一致而造成的設(shè)備起始速度不一致的問題。

針對轉(zhuǎn)臺和轉(zhuǎn)環(huán)的同步要求，一般采用摩擦輪多電機驅(qū)動的方式不容易實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，需要自己在主控做軌跡規(guī)劃，將生成的軌跡分配到圓環(huán)，進行下一步調(diào)節(jié)。如圖5所示，為3個轉(zhuǎn)環(huán)同步的實際圖，其中內(nèi)環(huán)由2臺1.1 kW電機驅(qū)動，中環(huán)由4臺1.1 kW電機驅(qū)動，外環(huán)由4臺2.2 kW電機驅(qū)動，3個轉(zhuǎn)環(huán)都采用摩擦輪驅(qū)動，可將3個轉(zhuǎn)環(huán)進行簡單的編組操作即可實現(xiàn)精確同步。最終同步效果能滿足實際的使用需求，3個轉(zhuǎn)環(huán)同步精度高，用戶使用方便。

圖4 剛性鏈板傳送帶

圖5 3個轉(zhuǎn)環(huán)同步

1.4 可移動平臺的定位

可移動平臺大體上分為兩種，一種是無軌道的移動平臺，一種是帶軌道的移動平臺。

對于無軌道的移動平臺，存在定位難度大的現(xiàn)象，用車體自身輪子上帶的編碼器，很難解決由于打滑等帶來的空間位置值不準確的問題。為了實現(xiàn)準確定位，一般需要在外部加裝激光定位傳感器，但采用激光定位傳感器也有其弊端：

（1）該方式價格較高，單只傳感器的價格在幾萬到十多萬不等；

（2）該類型傳感器多數(shù)需要安裝反射條，對于有些場館并不完全適用。

對于帶軌道的移動平臺，可采用色帶或者磁導的方式來實現(xiàn)，更為簡單可靠，但該類情況不適合多個車臺需要拼接運行的場所。如圖6所示，為某室外帶軌道移動平臺，采用無線+蓄電池供電的方式，多組蓄電池串聯(lián)供電，供電電壓高達280 V，可直接給變頻器直流母線單元供電，驅(qū)動變頻器運行。對于控制單元，采用單獨的蓄電池供電，減少變頻器運行中瞬間過大的電流沖擊造成的干擾以及控制電壓的不穩(wěn)。

圖6 某項目室外移動平臺

2 控制系統(tǒng)的共性

演藝秀場機械設(shè)備種類較多，需要解決的問題也不一致，但是對于控制系統(tǒng)而言還是存在一些共性。

（1）高響應(yīng)控制器：秀場通常涉及的需要同時運行的設(shè)備數(shù)量和動作復雜程度比較高，采用常規(guī)的處理器往往難以滿足此類需求，可采用專用的軸控制器或者基于定時掃描周期的高速PLC。

（2）高速總線；對于大批量設(shè)備同時運行的需求和多個設(shè)備之間的高速同步，均需要高速總線能快速協(xié)調(diào)設(shè)備間的動作，并在需要安全互鎖等停車應(yīng)用中，快速停止與其相關(guān)的其他設(shè)備。

（3）運動控制算法：對于各種需要同步的設(shè)備，一般需要進行運行軌跡的規(guī)劃，此類運動控制算法有相同點，如規(guī)劃各種加減速曲線、速度調(diào)節(jié)、絕對位置定位、相對位置定位等。

3 結(jié)語

演藝秀場設(shè)備的復雜性越來越高，設(shè)計難度也隨之增加，這就需要電控和機械設(shè)計人員在設(shè)計之初進行充分的溝通，否則容易出現(xiàn)機械人員設(shè)計出來的設(shè)備電控人員無法完成良好控制的尷尬局面。演藝秀場還存在的一個問題就是要求的變更，有些劇場在實施過程中，由于導演團隊思路的變更，也容易造成后期整個項目批量設(shè)備的更改，為了避免或減少該類問題，可考慮將仿真團隊納入到前期的方案設(shè)計當中，使得整個策劃團隊能對全局有更直觀的認識。