智 浩，高松松，蔡朝陽，曹福祥

（北京金東高科科技有限公司，北京 100000）

近幾年，伴隨經(jīng)濟(jì)和文化的發(fā)展，各類型劇場建設(shè)方興未艾，需求旺盛。舞臺機(jī)械作為劇場建設(shè)中設(shè)備配置的主要專業(yè)之一，受到劇場規(guī)劃、建設(shè)、使用方越來越多的重視和依賴。但由于舞臺機(jī)械專業(yè)性強(qiáng)，門檻較高，從業(yè)人員相對其他專業(yè)較少，業(yè)內(nèi)對舞臺機(jī)械的關(guān)注點(diǎn)也比較分散，造成對舞臺機(jī)械的認(rèn)識理解比較模糊，在劇場建設(shè)的技術(shù)支持中成為薄弱環(huán)節(jié)。鑒于此，筆者結(jié)合近年來的工作經(jīng)驗(yàn)，相對系統(tǒng)地整理了舞臺機(jī)械方面的知識和工程經(jīng)驗(yàn)，希望對上述問題有所幫助。具體內(nèi)容僅一家之言，不妥之處請不吝賜教，批評指正。

技術(shù)是解決問題的方法及原理，舞臺機(jī)械技術(shù)主要是利用機(jī)械及控制技術(shù)解決舞臺設(shè)備運(yùn)動及演出場景轉(zhuǎn)換問題。早期舞臺機(jī)械技術(shù)主要以手動和助力機(jī)構(gòu)為主，是簡易的機(jī)械設(shè)備，用于劇場舞臺的輔助動作或表演效果。劇場功能和演出形式不斷演化、需求復(fù)雜多樣，對舞臺機(jī)械的要求也逐步提高，舞臺機(jī)械技術(shù)也隨著機(jī)械技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)步。

常見的舞臺機(jī)械技術(shù)主要是升降、平移、旋轉(zhuǎn)以及組合動作的機(jī)械設(shè)備技術(shù)，從技術(shù)手段和方法來說，大多是在其他場合已經(jīng)應(yīng)用成熟的技術(shù)，或是類似設(shè)備在劇場中的應(yīng)用。根據(jù)劇場建設(shè)與表演的實(shí)際要求，現(xiàn)有的技術(shù)手段已經(jīng)基本可以滿足常規(guī)劇場設(shè)備和演出的需求，所以到目前還沒有專門的舞臺機(jī)械專業(yè)來研究分析相關(guān)內(nèi)容。

但隨著科技水平與演藝形式的快速發(fā)展，對舞臺形式、表演效果都有了新的或特殊的要求，對舞臺機(jī)械設(shè)備和實(shí)現(xiàn)方法也提出了更高的要求，常規(guī)的技術(shù)手段已不能滿足高水平藝術(shù)創(chuàng)意的需要，舞臺機(jī)械技術(shù)的系統(tǒng)化、規(guī)范化成為亟待解決的問題。

1 舞臺機(jī)械技術(shù)概念及功用

1.1 舞臺機(jī)械技術(shù)的定義與范圍

舞臺機(jī)械技術(shù)是在滿足舞臺功能需求的前提下，充分考慮了建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、藝術(shù)創(chuàng)意等多種影響因素，系統(tǒng)分析了舞臺機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)集成、協(xié)同、安全等多方面耦合關(guān)系，以機(jī)械與控制技術(shù)為核心的舞臺機(jī)械工程的總體技術(shù)，是機(jī)械設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)、自動控制等多專業(yè)一體化集成技術(shù)。其相關(guān)性如圖1所示，要求實(shí)現(xiàn)舞臺機(jī)械精確動作的多種組合、運(yùn)動速度與位置的快速響應(yīng)、人機(jī)結(jié)合可靠的安全措施以及運(yùn)營操控的實(shí)用便捷。

1.2 技術(shù)思路與目標(biāo)

舞臺機(jī)械技術(shù)的應(yīng)用需遵循舞臺機(jī)械的使用規(guī)律，積極借鑒國內(nèi)外先進(jìn)和成熟的技術(shù)理念，同時(shí)根據(jù)舞臺機(jī)械不同應(yīng)用場合的特點(diǎn)及藝術(shù)創(chuàng)意，尋求其內(nèi)部共性與規(guī)律，識別出關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)，開展技術(shù)攻關(guān)，以具體項(xiàng)目和技術(shù)設(shè)備研發(fā)為突破點(diǎn)，以特種機(jī)械設(shè)備工程技術(shù)成果為依托，以安全、可靠、創(chuàng)新、適用為根本，針對性、系統(tǒng)性地建立舞臺機(jī)械的系統(tǒng)方案，通過工程實(shí)施轉(zhuǎn)化技術(shù)方案，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的協(xié)同，以及與精彩表演的完美結(jié)合。

1.3 舞臺機(jī)械技術(shù)的功用

舞臺機(jī)械技術(shù)涉及傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)劇場演出以及各類流動演出、旅游演出等領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)劇場的舞臺機(jī)械設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)不同尺度、不同載荷、不同速度和不同位置設(shè)備的升降、平移、旋轉(zhuǎn)、傾斜等功能及其組合功能。流動演出、旅游演出等要實(shí)現(xiàn)不規(guī)則形狀舞臺的升降、平移、旋轉(zhuǎn)和傾斜，同時(shí)要求相對惡劣的環(huán)境運(yùn)行條件，如室外、高空、水下等，往往具有超大的重量、尺寸和苛刻的使用限制條件，需要各種先進(jìn)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)。舞臺機(jī)械技術(shù)是多種專業(yè)交叉、多類系統(tǒng)集成的復(fù)雜技術(shù)組合，要解決以下幾類問題：

圖1 舞臺機(jī)械技術(shù)體系與相關(guān)專業(yè)的關(guān)系

（1）設(shè)備的功能與建筑、舞美等相關(guān)專業(yè)的配合；

（2）設(shè)備的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)與實(shí)際使用要求；

（3）設(shè)備的定位精度和平穩(wěn)、噪聲控制；

（4）設(shè)備的空間占用和劇院演出空間的使用；

（5）設(shè)備的安全可靠和操控簡單；

（6）設(shè)備的經(jīng)濟(jì)合理和維護(hù)便捷。

這些問題既是舞臺機(jī)械設(shè)備自身具有的特點(diǎn)，也是研究開發(fā)舞臺機(jī)械設(shè)備的難點(diǎn)。這些問題與常規(guī)機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)的研究開發(fā)有相似之處，又有研發(fā)過程制約條件較多、限制因素復(fù)雜的自身特性，如何科學(xué)、合理、均衡、有效地解決好以上問題，是舞臺機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)研究的關(guān)鍵。

1.4 舞臺機(jī)械技術(shù)的內(nèi)容

舞臺機(jī)械技術(shù)主要是以常規(guī)機(jī)械傳動和控制技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的不同功能，滿足安全可靠、平穩(wěn)準(zhǔn)確、快速便捷的要求，其研究開發(fā)可分為工藝方案、模型試驗(yàn)、設(shè)備研發(fā)、系統(tǒng)集成四個(gè)階段。采用的技術(shù)主要有以下幾種。

吊掛技術(shù)：主要針對空中吊掛類設(shè)備的升降功能。升降技術(shù)：主要實(shí)現(xiàn)地面和地下升降臺類設(shè)備的升降及傾斜功能。

平移技術(shù)：主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的水平移動功能，包括上空設(shè)備的滑移和地面車臺類的平移。

旋轉(zhuǎn)技術(shù)：主要實(shí)現(xiàn)車臺或升降臺類設(shè)備的水平旋轉(zhuǎn)和其他設(shè)備的空間翻轉(zhuǎn)功能。

特種需求技術(shù)：主要實(shí)現(xiàn)演出過程的特殊功能要求，如空間移動、舞臺伸縮、水中設(shè)備等。

控制技術(shù)：采用機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)舞臺機(jī)械系統(tǒng)的控制。

組合技術(shù)：對上述各類型技術(shù)的組合應(yīng)用，是機(jī)械、結(jié)構(gòu)、控制一體化技術(shù)的體現(xiàn)。

舞臺機(jī)械技術(shù)是多專業(yè)技術(shù)的集成，是一個(gè)系統(tǒng)工程，其內(nèi)容不僅要包含機(jī)械、控制和計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)，還涉及建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、燈光、音響、視頻、水景、舞美、藝術(shù)創(chuàng)意等相關(guān)專業(yè)技術(shù)。舞臺機(jī)械系統(tǒng)是劇場建設(shè)和藝術(shù)創(chuàng)意的重要組成部分，可以作為舞臺設(shè)備工程的總體工藝和牽頭專業(yè)，為其他相關(guān)專業(yè)提供總體工藝要求和條件，最終實(shí)現(xiàn)劇場舞臺建設(shè)和舞美創(chuàng)意。

2 升降推拉轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)及采用的技術(shù)

2.1 失速安全保護(hù)、同步控制卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)

（1）上空設(shè)備的失速安全保護(hù)

設(shè)置獨(dú)立的失速保護(hù)檢測電路，防止設(shè)備失控而引發(fā)的自由下落（見圖2）。采用多種安全保護(hù)，如硬件上下限位、硬件上下極限位及軟件上下限位。硬件上下限位獨(dú)立于軟件系統(tǒng)，保證系統(tǒng)在安全范圍內(nèi)運(yùn)行；同時(shí)，軟限位可以與硬件上下限位互校，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差。硬件上下極限位保證了上下限位失效時(shí)的安全保護(hù)；同時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同要求，進(jìn)行亂繩、超重（靜態(tài)）、超速、超載（動態(tài)）的檢測與保護(hù)；采用電路安全設(shè)計(jì)，從電路原理上確保系統(tǒng)安全。

圖2 吊桿失速保護(hù)裝置

（2）同步控制

上空設(shè)備除了保證單獨(dú)運(yùn)行的精度，還應(yīng)滿足在載荷容許的情況下任意組合使用，并做到多套設(shè)備精確同步運(yùn)行（見圖3）。通過保證加工安裝精度、設(shè)置增量及絕對值編碼器，運(yùn)行定位精度可達(dá)到±2 mm，同步精度可達(dá)到±3 mm。采用分散控制定位技術(shù)，由變頻器或軸控制器進(jìn)行直接定位控制，可編程序控制器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中管理，有效解決電機(jī)的精確定位。同時(shí)，采用軟件同步調(diào)節(jié)算法，實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的同步協(xié)調(diào)運(yùn)行。

圖3 吊桿定位及同步試驗(yàn)

2.2 空間立體舞臺的旋轉(zhuǎn)升降

旅游類劇場通常希望打破常規(guī)劇場的框架，實(shí)現(xiàn)大進(jìn)深、寬視角、新穎獨(dú)特的多層次立體觀演舞臺。該類舞臺需要克服大規(guī)模大載荷舞臺設(shè)備帶來的結(jié)構(gòu)、動力、傳動、軌跡、控制、集成和協(xié)同等一系列相關(guān)技術(shù)問題。如深圳世界之窗的空間立體舞臺旋轉(zhuǎn)升降技術(shù)應(yīng)用。其舞臺建筑造型是橢圓球體， “地球”造型根據(jù)表演的需要，通過一系列開合、旋轉(zhuǎn)、升降及伸縮等60多種運(yùn)動形式的關(guān)聯(lián)、協(xié)同和互鎖，向觀眾展示出現(xiàn)代化舞臺的理想表演空間，同時(shí)也創(chuàng)造出了一個(gè)從封閉的公園主題到敞開的廣場式露天藝術(shù)劇院。

2.3 大型結(jié)構(gòu)二維空間平移開合

為了實(shí)現(xiàn)舞臺大空間與環(huán)境轉(zhuǎn)換，需要有大型結(jié)構(gòu)和設(shè)備的運(yùn)動變換，其平移開合不同的劇場有不同的要求。如無錫靈山梵宮劇場的大型結(jié)構(gòu)二維空間平移開合技術(shù)，其劇場的圓形墻體是環(huán)形舞臺和圓形觀眾區(qū)的分界，墻體通過機(jī)電控制可實(shí)現(xiàn)沿圓弧軌道旋轉(zhuǎn)展開并沿水平方向前后移動。當(dāng)8扇墻體圍合成封閉圓時(shí)，劇場形成供游客參觀的大殿。整個(gè)過程涉及到升降、平移與弧形運(yùn)動、插銷定位等21個(gè)動作，綜合采用鏈條、齒條、摩擦等多種傳動技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水平移動與弧形運(yùn)動的無縫轉(zhuǎn)換。機(jī)械墻體可展開270°，將圓形殿堂轉(zhuǎn)換為270°視角的圓形舞臺，如圖4所示。

圖4 移動墻體動作示意

2.4 超大旋轉(zhuǎn)升降組合

圖5 穹頂翻轉(zhuǎn)

室外表演或?qū)嵕把莩鐾枰蟮奈枧_設(shè)備，提供與演出環(huán)境相適應(yīng)的大型表演舞臺，并根據(jù)演出內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換。常規(guī)的平移、升降已無法滿足需求，需要平移、旋轉(zhuǎn)、傾斜、升降等運(yùn)動形式的組合，實(shí)現(xiàn)大型舞臺場景的變化。如云南“希夷之大理”的旋轉(zhuǎn)升降組合穹頂翻轉(zhuǎn)技術(shù)的應(yīng)用。其主舞臺由旋轉(zhuǎn)相切的圓形組成，天棚穹頂是舞臺整體眼睛創(chuàng)意的眼珠，翻轉(zhuǎn)升起后可以作為投影幕使用。其中，五瓣穹頂既要相互分離，還要互相支持依靠，保證輕薄球面結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和變形控制，采用主次骨架結(jié)構(gòu)、同軸旋轉(zhuǎn)、液壓頂推、滾動支撐、分離掛鉤等方法，實(shí)現(xiàn)穹頂翻轉(zhuǎn)，如圖5所示。采用同心軌道、多點(diǎn)浮動鏈輪驅(qū)動、虛擬圓心定位、電纜滑車供電、液壓系統(tǒng)隨動等方式，實(shí)現(xiàn)大型圓弧轉(zhuǎn)臺的360°旋轉(zhuǎn)；采用自主液壓同步控制軟件，有效解決了不同液壓驅(qū)動設(shè)備的同步問題，穩(wěn)態(tài)同步控制精度小于5 mm。

2.5 水中平移、升降設(shè)備技術(shù)

水中設(shè)備主要解決驅(qū)動布置、密封防護(hù)、浮力應(yīng)用、液壓和水壓的選用、供電保護(hù)等問題。水中無法直接使用電動裝置，水平或垂直的直線運(yùn)動適合采用鋼絲繩牽引到遠(yuǎn)處水面上設(shè)備機(jī)房，由卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動，但如果設(shè)備運(yùn)行軌跡不是一維運(yùn)動，或設(shè)備之間存在復(fù)雜的相互運(yùn)動關(guān)系，就無法只靠鋼絲繩牽引來實(shí)現(xiàn)。液壓缸是比較好的水下驅(qū)動源，但油壓系統(tǒng)存在漏油可能，在水環(huán)境下有很大制約；采用水壓傳動，由于技術(shù)和設(shè)備還不完全成熟，且推力較小，難以滿足實(shí)際需要；選擇合適浮力材料，借助浮力做動力或減輕自重，是利用水壓設(shè)備實(shí)現(xiàn)水中舞臺功能的重要方法。所以，水下設(shè)備要綜合考慮以上因素，根據(jù)具體情況，采用一種或幾種技術(shù)組合，實(shí)現(xiàn)水下和水中設(shè)備的功能要求。如北京歡樂谷劇場是根據(jù)演出內(nèi)容量身定制的，其典型場景大洪水是當(dāng)時(shí)最早在水中應(yīng)用平移、升降設(shè)備技術(shù)。設(shè)置在水池正中的升降臺，要求由水中升起的同時(shí)，要有演員在上面表演，采用了密封蓋、行走小車、升降子臺等分體聯(lián)動等組合技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。

3 舞臺機(jī)械的控制技術(shù)

舞臺機(jī)械對于安全、便捷、精確的實(shí)現(xiàn)，除了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮合理的驅(qū)動傳動運(yùn)動方式，保證設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)本身的安全精確，更主要是通過控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。控制系統(tǒng)就是舞臺機(jī)械設(shè)備的神經(jīng)和大腦，主宰著設(shè)備的運(yùn)動，所以，控制技術(shù)也是舞臺機(jī)械不可或缺的重要組成部分，應(yīng)當(dāng)引起相關(guān)單位的足夠重視。

圖6 北京歡樂谷劇場實(shí)景演出和水中升降臺示意

3.1 控制技術(shù)要求

在舞臺機(jī)械中采用的控制技術(shù)及其功能主要有以下幾種。

（1）多控制臺場景運(yùn)行處理技術(shù)

利用多控制臺管理設(shè)備原則，解決多控制臺控制設(shè)備優(yōu)先級的問題；應(yīng)急場景控制的設(shè)備切入、切出功能，可加強(qiáng)舞臺實(shí)景演出設(shè)備人工操控的能力，達(dá)到理想演出效果。

（2）多種類系統(tǒng)冗余配置技術(shù)

針對整體控制方案和控制設(shè)備規(guī)模，開發(fā)軟件冗余、網(wǎng)絡(luò)完全冗余、異類冗余等不同的冗余方式，以滿足不同用戶的需求，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)從重要局部到全局操控的總體把握，保證舞臺機(jī)械的集中管理和分散控制，且所有冗余控制方式對于用戶都是自動切換。

（3）多類型設(shè)備綁定同步技術(shù)

用于控制速度、距離等參數(shù)組合復(fù)雜的設(shè)備組的運(yùn)行，避免操作失誤導(dǎo)致場景及設(shè)備碰撞或損壞等危險(xiǎn)情況。這種綁定要求有較大的隨意性，同步的設(shè)備包括同類型或不同類型設(shè)備，設(shè)備速度及功率可能差別很大，同步位置要求可能相同或保持某一固定偏差，同步設(shè)定要求靈活，可以按要求設(shè)置同步組合，也可以解除同步狀態(tài)，恢復(fù)單體運(yùn)行。

（4）多方位設(shè)備保護(hù)技術(shù)

獨(dú)立的失速保護(hù)檢測電路，通過失速檢測實(shí)現(xiàn)因設(shè)備失控而引發(fā)自由下落的安全防護(hù)功能；空間設(shè)備的互鎖、解鎖技術(shù)，避免設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)生相互碰撞的危險(xiǎn)，保證劇場演出人員及設(shè)備的安全；利用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及加強(qiáng)技術(shù)，可對網(wǎng)絡(luò)通信故障引發(fā)的設(shè)備控制運(yùn)行失效進(jìn)行有效、準(zhǔn)確排查；采用多種安全反饋，保證設(shè)備可靠運(yùn)行。

（5）矩陣切換冗余技術(shù)

冗余控制矩陣切換技術(shù)針對臺上變頻調(diào)速設(shè)備,每一個(gè)設(shè)備受多個(gè)變頻器選通控制。出現(xiàn)問題的變頻器可由網(wǎng)絡(luò)掛接的其余變頻器接替工作，從而達(dá)到熱備效果。

（6）場景數(shù)據(jù)冗余備份和快速恢復(fù)技術(shù)

一鍵式設(shè)備位置恢復(fù)功能，備份設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)舞臺控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)；具備場景運(yùn)行控制模式，實(shí)現(xiàn)在沒有場景編程計(jì)算機(jī)參與時(shí)，獨(dú)立控制舞臺機(jī)械設(shè)備場景運(yùn)行。

（7）便捷、高效的遠(yuǎn)程維護(hù)和故障診斷技術(shù)

通過遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)地址和現(xiàn)場舞臺控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)跨接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在線瀏覽；遠(yuǎn)程維護(hù)和故障診斷技術(shù)采用包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄及分析系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程終端控制軟件維護(hù)。通過舞臺遠(yuǎn)程服務(wù)軟件，實(shí)現(xiàn)舞臺廠家技術(shù)人員和現(xiàn)場用戶之間的遠(yuǎn)程協(xié)作功能。同時(shí)還應(yīng)具有專業(yè)的管理功能，可對遠(yuǎn)程服務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理和分析。

（8）人機(jī)交互的三維虛擬劇場系統(tǒng)

隨著技術(shù)發(fā)展，逐步具備應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成逼真的劇場三維視覺效果的能力，可將編導(dǎo)或設(shè)計(jì)者“投射”到劇場中某個(gè)環(huán)境中，并操作、控制劇場設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在對虛擬劇院空間中進(jìn)行設(shè)備控制的體驗(yàn)和交互。

3.2 PLC控制技術(shù)與軸控制器技術(shù)[4]

PLC控制技術(shù)一般采用主流自動化廠家研發(fā)的中大型PLC系統(tǒng)為主，如西門子、施耐德、AB、貝加萊等，基于PLC的方案多采用主控CPU加擴(kuò)展模塊的方式來完成，一個(gè)系統(tǒng)中通常只采用一到兩個(gè)主站來作為主控。PLC更多通過集中控制系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。

由于PLC可以結(jié)合伺服或變頻系統(tǒng)的運(yùn)動控制功能，大大減輕了PLC的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，并且現(xiàn)在的PLC具備很大的I/O映射區(qū)，因此，PLC可以控制上千臺的運(yùn)動設(shè)備。對于大型舞臺系統(tǒng)，這種PLC的方式非常適合。

舞臺機(jī)械的軸控制器技術(shù)主要為一些專業(yè)做舞臺設(shè)備的公司所研發(fā)，如瓦格納、SBS、BBH等。一個(gè)軸控制器通常可控制1～4個(gè)設(shè)備，一個(gè)完整的系統(tǒng)中有幾十上百個(gè)軸控制器，并通過高速總線進(jìn)行互聯(lián)。軸控制器一般采用分散控制的系統(tǒng)架構(gòu)。

軸控制器有著較高精度、高動態(tài)性能的運(yùn)動控制能力，在多軸插補(bǔ)的情況時(shí)尤為明顯，這是其非常大的一個(gè)優(yōu)勢。在高速總線的配合下，軸控制器的控制通過使用主控單元和擴(kuò)展單元的方式可控制運(yùn)動設(shè)備的數(shù)量在上百臺的數(shù)量級，因此，占用實(shí)時(shí)總線系統(tǒng)的資源也相對較多。

目前國內(nèi)廠家以PLC控制為主，國外廠家主推軸控制器技術(shù)。兩者是控制理念和系統(tǒng)架構(gòu)的區(qū)別，在穩(wěn)定性、可維護(hù)性、安全可靠性、定位精度、同步精度、適應(yīng)性等方面各有特點(diǎn)，對解決和處理舞臺機(jī)械的控制問題，兩種控制系統(tǒng)均能滿足舞臺機(jī)械使用、安全、精度需求，并不存在技術(shù)上的優(yōu)劣或差異。

隨著技術(shù)的發(fā)展，兩者會取長補(bǔ)短，功能特點(diǎn)逐漸融合接近。未來軸控制器技術(shù)主要向設(shè)備端擴(kuò)展，對單體設(shè)備實(shí)施進(jìn)一步精細(xì)化控制；PLC也可自帶軸控定位功能，完成單獨(dú)軸控器的定位及控制功能，實(shí)現(xiàn)通用性基礎(chǔ)上的專業(yè)性。

3.3 變頻控制與伺服控制技術(shù)

變頻驅(qū)動控制是通過電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源頻率換成另一頻率的電機(jī)控制裝置，一般用交直交方式實(shí)現(xiàn)。伺服驅(qū)動控制是通過閉環(huán)檢測實(shí)現(xiàn)對速度、位置、力矩等的精確控制，使被控物體的位置、方式、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）任意變化，伺服控制可以用來精確跟蹤或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程反饋系統(tǒng)，又稱隨動控制。

其中，變頻器主要充當(dāng)調(diào)節(jié)變頻電機(jī)、普通交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的角色，實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟啟動和變頻調(diào)速，提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素等。伺服驅(qū)動器是按指令要求，對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，利用位移、速度、電流三環(huán)閉環(huán)控制，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度、位置控制非常靈活方便。

變頻控制的核心元件變頻器，通常由整流單元、高容量電容、逆變器、控制器等組成。伺服控制的核心元件是閉環(huán)反饋元件、伺服驅(qū)動器、運(yùn)動控制卡等。

變頻控制與伺服控制的過載能力不同，伺服過載可達(dá)3倍，變頻約1.5倍；兩者控制精度不同，根據(jù)編碼器精度決定，伺服理論上可達(dá)1 μm，但與機(jī)械系統(tǒng)精度有關(guān)，變頻控制精度可達(dá)0.01 mm，與脈沖頻率和電機(jī)控制數(shù)量有關(guān)；變頻控制屬于傳動控制領(lǐng)域，一般用于常規(guī)工業(yè)應(yīng)用，伺服控制屬于運(yùn)動控制領(lǐng)域，用于高精度、高響應(yīng)、高性能場合；根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量不同，伺服加減速性能在空載0～2 000轉(zhuǎn)時(shí)，所需時(shí)間一般＜20 ms；變頻控制一般用于三相異步交流電機(jī)，伺服控制一般用于同步交流伺服電機(jī)。

3.4 SIL概念

所有電子/電氣/可編程（E/E/PE）設(shè)備，包括一些最精密的設(shè)備/系統(tǒng)都可能由各種原因產(chǎn)生故障。用來評定故障及其后果的方法，就是根據(jù)故障概率得出的安全完整性等級SIL（Safety Integrity Level），共分4個(gè)等級，SIL1至SIL4，SIL4為最高等級。對于舞臺機(jī)械設(shè)備，目前希望達(dá)到的安全完整性等級為SIL3[5]。

安全完整性等級(SIL)是一種評估、驗(yàn)證和認(rèn)證，主要涉及安全設(shè)備開發(fā)流程的文檔管理(FSM)評估，硬件可靠性計(jì)算和評估、軟件評估、環(huán)境試驗(yàn)、EMC電磁兼容性測試等內(nèi)容。

需要指出的是，具有SIL認(rèn)證的設(shè)備與設(shè)備使用過程的安全并不是直接劃等號的，即對于具備SIL3認(rèn)證的舞臺機(jī)械設(shè)備，只能說明設(shè)備本身具備與SIL3規(guī)定相對應(yīng)的安全可靠性，由于劇場環(huán)境、使用人員等不確定因素造成的復(fù)雜性，舞臺機(jī)械的設(shè)備安全還有其使用過程諸多因素的考慮。

4 舞臺機(jī)械技術(shù)的發(fā)展趨勢

舞臺機(jī)械技術(shù)作為“藝術(shù)創(chuàng)意的技術(shù)實(shí)現(xiàn)”，為藝術(shù)家提供隨心所欲的創(chuàng)意舞臺；作為現(xiàn)代舞臺設(shè)備的骨架和基礎(chǔ)，現(xiàn)有的舞臺機(jī)械技術(shù)必然需要進(jìn)一步發(fā)展，如已有應(yīng)用的虛擬仿真樣機(jī)技術(shù)，利用三維設(shè)計(jì)、動態(tài)仿真、動力學(xué)計(jì)算、運(yùn)動學(xué)分析相結(jié)合的方法，為大型復(fù)雜機(jī)械設(shè)備或裝置的研發(fā)提供了技術(shù)支持；還有可即時(shí)安裝即插即用的可移動吊掛設(shè)備及控制系統(tǒng)，舞美特效與舞臺機(jī)械設(shè)備相結(jié)合的大型組合機(jī)械設(shè)備或裝置，智能化虛擬劇場及AI控制舞臺設(shè)備，聲光電機(jī)水等多專業(yè)集成的表演創(chuàng)意應(yīng)用，舞臺機(jī)械智能化主動安全性能監(jiān)測等，都將是舞臺技術(shù)發(fā)展的重要方向。

致謝：原總裝設(shè)計(jì)院和金東高科同仁為文章撰寫提供了相關(guān)素材，并提出了寶貴意見，衷心感謝。