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作者：拓豐舞臺
2023-06-30 15:40:48
隨著演出藝術(shù)的不斷創(chuàng)新，舞臺機械作為演藝設(shè)備元素之一，越來越多地參與到演出中去，與節(jié)目內(nèi)容的互動性越來越強。傳統(tǒng)的基于位置-速度控制的舞臺設(shè)備已經(jīng)不能充分滿足節(jié)目需求，因此，需要一種能和演出節(jié)拍相對應(yīng)的控制方式，以達(dá)到精準(zhǔn)的時間
控制目的。
筆者曾經(jīng)參與一個項目，演出方要求大幕從閉合到開啟的時間必須是22 s，不能多也不能少。傳統(tǒng)的基于位置-速度控制的方式，需要多次設(shè)定參數(shù)試湊才能達(dá)到演出效果，而基于時間軸的舞臺機械控制系統(tǒng)，只需要設(shè)定參數(shù)就能達(dá)到目的。時間軸控制系統(tǒng)不僅應(yīng)用于單軸系統(tǒng)，也可以由多個軸組合成一個設(shè)備，實現(xiàn)多軸同步聯(lián)動的運動。本文主要介紹基于時間軸的舞臺機械控制系統(tǒng)的構(gòu)成和應(yīng)用。
1時間軸控制系統(tǒng)簡介
1.1
技術(shù)來源
時間軸控制技術(shù)來源于電子凸輪控制技術(shù)。電子凸輪控制系統(tǒng)利用構(gòu)造凸輪曲線來模擬機械凸輪（圖1），以達(dá)到與機械凸輪系統(tǒng)相同的凸輪軸和主軸之間的相對運動。電子凸輪應(yīng)用廣泛，比如板材制造業(yè)中的連續(xù)飛剪、追剪，消費品制造業(yè)中的包裝貼標(biāo)等。
在電子凸輪控制系統(tǒng)里，主軸可以是位置、角度、溫度、壓力等各種具備連續(xù)穩(wěn)定輸出
的物理量。而時間軸控制技術(shù)，則把這些物理量換成以時間的連續(xù)變化為主軸。
圖1 機械凸輪結(jié)構(gòu)
1.2
控制系統(tǒng)構(gòu)成
控制系統(tǒng)為典型工業(yè)應(yīng)用三層架構(gòu)，分別是操作層、控制層和現(xiàn)場執(zhí)行層（圖2）。操作層：有單個或者多個操作臺組成的上位機系統(tǒng)，操作員可使用單個或者多個操作臺同時進行操作。
圖2 層級結(jié)構(gòu)示意圖
1.2.1 操作臺
操作臺配置單個或者多個19英寸電容式觸摸屏，主機為安裝Windows 7的工業(yè)PC機，配備2~4個操作手柄，可同時運行多個預(yù)設(shè)場景和編組，每個操作手柄為一個調(diào)速通道，手柄帶確認(rèn)功能，防止誤操作（圖3）。操作臺設(shè)置急停按鈕舞臺控制系統(tǒng)，急停按鈕和執(zhí)行層之間不僅使用總線通信，還采用IO硬連接，確保在通信失效的情況下能執(zhí)行急停功能。
圖3 操作臺
1.2.2 PLC/運動控制器
使用西門子最新一代S7-1500（T）/SIMOTION D系列控制器作為主控制器，1500F（T）系列較之上代S7-300F（T）系列性能有很大的提升。
1.2.3 驅(qū)動器和電機
驅(qū)動器采用西門子S120系列或者丹麥DANFOSS FC302 系列變頻器，具備以下優(yōu)點。
（1）可靠耐用，對使用環(huán)境要求較低，故障保護措施完整，具備過流、超速、過壓、缺相、編碼器檢測等保護措施；可在0 hz實現(xiàn)滿轉(zhuǎn)矩。
（2）內(nèi)置運動控制功能，可實現(xiàn)高精度定位和同步控制。
（3）具備Safe stop和Safe Torque off，滿足安全控制要求。
（4）可驅(qū)動三相永磁同步電機或者異步變頻電機，兼容性出色。
（5）支持PROFINET實時現(xiàn)場總線，支持PROFIDIRVE運動控制協(xié)議。
（6）調(diào)試時支持在線自動整定優(yōu)化，整定后，前饋參數(shù)基本正確，位置環(huán)和速度環(huán)性能優(yōu)越。
2 操作系統(tǒng)軟件功能介紹
DF Stage Control V6是筆者所在公司已發(fā)布的最新一代的舞臺機械操作軟件。該操作系統(tǒng)主要具備以下主要功能。
（1）控制管理功能
場景及編組管理，可編輯劇目。對支持時間軸的設(shè)備，有兩種運行模式。第一種是按照位置-速度模式，設(shè)定設(shè)備運行速度、啟動時間、最終目標(biāo)位置參數(shù)運行設(shè)備（圖4）；第二種是按照時間軸運行控制模式，設(shè)定多個運行點的參數(shù)，包括位置、加速時間、減速時間，以及到達(dá)這個點的絕對時間運行設(shè)備，其中加速時間和減速時間可以由軟件生成默認(rèn)值，方便用戶編輯（圖5~圖6）。編輯好的曲線段可以復(fù)制到同類型設(shè)備。
圖4 按傳統(tǒng)運行方式進行設(shè)定
圖5 按時間軸運行控制方式多點運行進行設(shè)定
圖6 時間軸多點編輯界面
（2）設(shè)備管理功能
設(shè)備管理功能主要是修改舞臺機械設(shè)備參數(shù)，包括當(dāng)前位置、軟上限位、軟下限位、脈沖當(dāng)量、禁用以及運行聯(lián)鎖關(guān)系的啟用和禁用。設(shè)備管理功能需要高權(quán)限的用戶才能修改，一般是舞臺機械的管理員才能修改設(shè)備參數(shù)。
（3）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控功能
操作軟件主界面狀態(tài)欄顯示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，包括設(shè)定的目標(biāo)位、設(shè)定的速度、設(shè)定的時間軸點數(shù)、設(shè)定的運行時間、當(dāng)前實際位置、當(dāng)前實際速度、當(dāng)前實際運行到的時間軸點數(shù)、當(dāng)前實際運行時間、實際載荷、實際電流以及設(shè)備實時狀態(tài)。設(shè)備實時狀態(tài)包括設(shè)備運行、停止、急停、聯(lián)鎖信息及故障信息（圖7）。
圖7 監(jiān)控區(qū)顯示界面
（4）系統(tǒng)管理功能
系統(tǒng)管理功能包括語言選擇、用戶管理、日志管理等。用戶管理可以增加、刪除用戶，更改用戶密碼；具備管理員權(quán)限的管理員用戶，可以設(shè)定每個用戶的權(quán)限。日志管理功能，可以查看設(shè)備的運行狀態(tài)、故障信息記錄和用戶的登陸記錄，可以設(shè)定日志的記錄過濾條件（比如只記錄故障信息），可以設(shè)定日志的整理和刪除條件（比如一個月自動整理刪除一次記錄）。
3控制層算法
上位機軟件負(fù)責(zé)規(guī)劃多點軌跡曲線，并生成每個關(guān)鍵點信息，這些信息包括點的位置、點的時間、點的加減速時間?？刂茖覲LC/運動控制器負(fù)責(zé)完成運動模型解析，并對每個軸的曲線進行插補密化。對單軸設(shè)備而言，則只需要進行插補密化。插補算法采用高次多項式算法，對浮點性能足夠的PLC/運動控制器，可以采用5次多項式擬合，即任意一條曲線都可以看成是多段連續(xù)的5次多項式曲線拼接而成。
對每段曲線，要求給出C0~C6這6個系數(shù)，需要6個方程組成一個方程組。從物理的角度，加速度可以看作是速度的微分方程，速度可以看作是位移的微分方程。任意一段5次方曲線，只要知道起點的位置、起點的速度、起點的加速度、終點的位置、終點的速度、終點的加速度，即可組成6個方程，求出這6個系數(shù)。
其中t∈[0,1]，實際應(yīng)用中，每個曲線段，對時間T應(yīng)先進行歸一化處理，t=(T-Ts)/(Tf-Ts)，T為實際時間，Ts為當(dāng)前曲線段起點時間，Tf為當(dāng)前曲線段終點時間,T∈[Ts,Tf]。
則Y=AC，可得：C=A-1Y；
因此，只要對矩陣A求逆，乘向量Y就可以得到系數(shù)向量C，將C代入公式（1）、（2）、（3），便可得到單段曲線任意時刻的位置、速度及加速度。圖8為單段（5000，0）到（5375，20）的曲線，其中起點速度為0、終點速度37.5，起點加速度和終點加速度均為0。
圖8 5次多項式曲線（從上到下依次為位置、速度、加速度）
4應(yīng)用實例
4.1
PALM EXPO 2017展出的《梁?！?/p>
《梁?！返拿恳粋€方塊由4個單點吊懸掛，可沿水平面內(nèi)任意軸傾斜角度，兩塊方塊疊加上升運動和沿相鄰邊傾斜旋轉(zhuǎn)運動，便可模擬蝴蝶翅膀的姿態(tài)。圖9是在三維軟件規(guī)劃軌跡時的界面，圖10的曲線描述了其中一個吊點的運行軌跡。這些軌跡由上位機規(guī)劃，下傳到控制層，由控制層控制器進行插補，對驅(qū)動器進行速度控制。
圖9 三維姿態(tài)編輯畫面
圖10 曲線編輯
4.2
廈門Stellar星際酒吧項目
廈門Stellar星際酒吧的中心表演區(qū)域為多層圓環(huán)，每個圓環(huán)由多個圓環(huán)片段組成，每個片段由多個單點吊機懸吊（圖11）。在自動模式下，受控對象為圓環(huán)或者圓環(huán)片段，上位機下發(fā)受控對象姿態(tài)，包括位置、傾角軸和傾角及時間參數(shù)，由運動控制器進行運動學(xué)解析，轉(zhuǎn)化為每個吊機的鋼絲繩索長度（軸位置）、速度、加速度，運行時進行實時插補舞臺控制系統(tǒng)，對驅(qū)動器進行速度控制。在手動模式下，受控對象為單個吊點，可單獨進行鋼絲繩長度調(diào)節(jié)，或維護維修時進行單個吊點設(shè)備的調(diào)試。
圖11 星際酒吧設(shè)計圖
4.3
不同類型設(shè)備同步運動
例如升降臺和吊桿同步運動（圖12）。按照位置-速度控制方式，升降臺和吊桿由于不同的減速度和加速度，要保證升降臺和吊桿的同步，需要修改驅(qū)動器的加減速度參數(shù)，對設(shè)備使用者而言，存在一定的困難。在基于時間軸的系統(tǒng)中，只要在上位機系統(tǒng)設(shè)定加減速時間一致、運行時間一致、最終位置一致，系統(tǒng)就可以規(guī)劃出速度一致的運行曲線。相比硬編碼同步方式，這種方式具有靈活多變，可隨時組合不同設(shè)備的優(yōu)點。
圖12 升降臺吊桿同步運動
5結(jié)語
為了滿足日益增長的演藝特效需求，舞臺機械從利用杠桿滑輪手動控制到電氣時代經(jīng)典電機控制，再到現(xiàn)代自動控制發(fā)展應(yīng)用，其無一不是運用了當(dāng)時先進的控制技術(shù)。時間軸控制技術(shù)，為各種需要嚴(yán)格同步、多軸聯(lián)動、需要空間軌跡規(guī)劃展現(xiàn)機械特效的演藝設(shè)備提供了一種實現(xiàn)的可能。借鑒工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和機器人控制技術(shù)，并做了適當(dāng)改造和簡化，使其適應(yīng)于舞臺機械控制特性，并讓舞臺機械操作人員便于操作。經(jīng)過多個項目
的實踐和使用后，證明了其實用性，提升演藝效果的同時也獲得了演出團隊的好評，是一種在行業(yè)內(nèi)值得推廣的控制系統(tǒng)。
選自《演藝科技》2020年第8期陳永周，馬 則《基于時間軸的舞臺機械控制系統(tǒng)簡介》，轉(zhuǎn)載請標(biāo)注：演藝科技傳媒。更多詳細(xì)內(nèi)容請參閱《演藝科技》。
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