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(jù)其用途，在舞臺機械專業(yè)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(xiàn)搖擺現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(huán)控制和開環(huán)控制。閉環(huán)控制需要有擺角測量裝置，配合控制算法實現(xiàn)；開環(huán)控制無需角度測量裝置，通過控制算法即可實現(xiàn)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(huán)防搖擺的控制算法有好幾種，筆者介紹的控制系統(tǒng)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(huán)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(fā)送給變頻器的速度命令信號而連續(xù)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(xiàn)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(tǒng)組成

防搖控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、變頻器、監(jiān)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(xiàn)，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(tǒng)配置及網(wǎng)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(jiān)控軟件視圖一

2.1 系統(tǒng)配置

上位機監(jiān)控軟件使用STAGEAPPII（使用VS.NET開發(fā)），PLC使用施耐德M258，變頻器使用施耐德ATV71重載產(chǎn)品，使用增量式編碼進行位置檢測及控制，系統(tǒng)配置及網(wǎng)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(diào)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(xiàn)。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(xiàn)，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(tǒng)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(diào)整后實現(xiàn)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(jīng)滿足需求。

2.4 上位機軟件功能

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

圖7 上位機監(jiān)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(huán)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(nèi)，實現(xiàn)了防搖功能。由于該控制方案屬于開環(huán)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(huán)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.