舞臺機械飛行機構防搖擺技術

龔建興，唐 剛

（1.甘肅工大舞臺技術工程有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.成都艾德特舞臺工程有限公司，四川 成都 610015）

舞臺機械飛行機構裝置主要用于舞臺空中雜技表演，可移動、可升降，其結構與起重機類似，由吊具（升降）、平移小車組成。根據其用途，在舞臺機械專業中被稱為飛行機構。飛行機構升降吊具與平移機構采用鋼絲繩連接，因此，吊具在移動過程中會出現搖擺現象，為了保證演出的藝術效果、演員的安全以及飛行機構移動中盡量不影響演員的動作，飛行機構的防搖及定位控制技術也得到了越來越廣泛的關注。

1 防搖擺理論

1.1 搖擺的產生

飛行機構在加減速的過程中，吊物的運動總是落后平移小車的運動，從而在平移小車與吊物間形成夾角，在重力的作用下，速度變化時吊物會形成來回搖擺的現象。

1.2 防搖擺方法

防搖擺方法主要有機械防搖擺、電氣控制防搖擺。機械防搖擺需要增加機械設備，導致飛行機構自重增加且造價昂貴，因此很少采用。電氣控制防搖擺分閉環控制和開環控制。閉環控制需要有擺角測量裝置，配合控制算法實現；開環控制無需角度測量裝置，通過控制算法即可實現對行車的防搖擺控制，因此，這也是目前使用最廣泛的防搖擺方法。開環防搖擺的控制算法有好幾種，筆者介紹的控制系統采用最為常用的一種控制方法，速度防搖擺控制算法。由于速度防搖擺控制基于開環算法，因此不適合戶外飛行機構，風力影響大。

1.3 速度防搖擺控制原理

防搖擺控制是利用鐘擺原理，通過PLC控制器的防搖擺算法，控制發送給變頻器的速度命令信號而連續限制擺動。通過檢測吊鉤的起升高度來計算擺動的角度，然后通過給定的加速度和減速度來減小或抵消擺角，從而控制搖擺角度，實現防搖擺控制。防搖功能激活與防搖功能不激活情況下速度與時間的關系曲線見圖1和圖2。

圖1 防搖功能激活時速度與時間關系曲線

圖2 防搖功能不激活時速度與時間關系曲線

2 飛行機構防搖擺控制系統組成

防搖控制系統主要由PLC控制器、變頻器、監控軟件、編碼器等組成。其速度防搖控制算法在PLC控制器中實現，下面以實際運用項目銀川演藝中心飛行機構為例做具體介紹。

圖3 系統配置及網絡結構圖

圖4 PLC編程過程

圖5 PID運動控制定位庫

圖6 上位機監控軟件視圖一

2.1 系統配置

上位機監控軟件使用STAGEAPPII（使用VS.NET開發），PLC使用施耐德M258，變頻器使用施耐德ATV71重載產品，使用增量式編碼進行位置檢測及控制，系統配置及網絡結構圖見圖3。

2.2 PLC控制器防搖擺控制庫

本項目將速度控制防搖擺算法寫成庫的形式調用，使用方便。PLC編程軟件采用施耐德SoMachine V4.2版本，利用ST結構化文本編寫，見圖4。

2.3 定位控制庫

由于ATV71變頻器自身不帶定位功能，因此，定位算法依然在PLC控制器中實現。吊具升降屬于垂直升降運動，故直接采用PID運動控制定位算法實現，PID運動控制定位庫見圖5。

飛行機構平移小車定位功能不能使用傳統的PID運動控制，本方案中利用防搖及PID運動控制器結合的方式且進行了部分調整后實現了防搖和定位的結合，控制精度能達到±25 mm，對于舞臺飛行機構應用而言已經滿足需求。

2.4 上位機軟件功能

上位機監控軟件使用STAGEAPPII，該監控軟件使用VS.NET基于Windows開發，可運行于WindowsXP/Windows7/Windowsvista等操作系統，監控軟件主要用于設備命令（啟停、速度、位置命令）的下發、設備狀態監控及參數設置等，見圖6和圖7。

圖7 上位機監控軟件視圖二

3 結束語

通過銀川演藝中心飛行機構項目的實際運用，驗證了速度開環防搖控制算法可以有效控制吊具的搖擺幅度，實際運用中從0～100%的速度運行，搖擺幅度均在±1.5°范圍內，實現了防搖功能。由于該控制方案屬于開環控制，因此，其防搖效果受外界影響較大，如飛行機構平移小車在移動前需要盡量保持靜止，且不適合在戶外有風的環境下使用。

[1]蔣國仁主編. 岸邊集裝箱起重機[M]. 武漢:湖北科學技術出版社,2001.

[2]高淑玲等. 橋式吊車防擺控制[J]. 自動化技術與應用,1988,7(1):1-4.