基于时间轴的舞台机械控制系统

随着演出艺术的不断创新，舞台机械作为演艺设备元素之一，越来越多地参与到演出中去，与节目内容的互动性越来越强。传统的基于位置-速度控制的舞台设备已经不能充分满足节目需求，因此，需要一种能和演出节拍相对应的控制方式，以达到精准的时间

控制目的。

笔者曾经参与一个项目，演出方要求大幕从闭合到开启的时间必须是22 s，不能多也不能少。传统的基于位置-速度控制的方式，需要多次设定参数试凑才能达到演出效果，而基于时间轴的舞台机械控制系统，只需要设定参数就能达到目的。时间轴控制系统不仅应用于单轴系统，也可以由多个轴组合成一个设备，实现多轴同步联动的运动。本文主要介绍基于时间轴的舞台机械控制系统的构成和应用。

1 时间轴控制系统简介

1.1

技术来源

时间轴控制技术来源于电子凸轮控制技术。电子凸轮控制系统利用构造凸轮曲线来模拟机械凸轮（图1），以达到与机械凸轮系统相同的凸轮轴和主轴之间的相对运动。电子凸轮应用广泛，比如板材制造业中的连续飞剪、追剪，消费品制造业中的包装贴标等。

在电子凸轮控制系统里，主轴可以是位置、角度、温度、压力等各种具备连续稳定输出

的物理量。而时间轴控制技术，则把这些物理量换成以时间的连续变化为主轴。



图1 机械凸轮结构

1.2

控制系统构成

控制系统为典型工业应用三层架构，分别是操作层、控制层和现场执行层（图2）。操作层：有单个或者多个操作台组成的上位机系统，操作员可使用单个或者多个操作台同时进行操作。



图2 层级结构示意图

控制层：主要由PLC或者运动控制器构成的控制平台，承载任务包括接收上位机系统下发的曲线轨迹和控制指令；解析上位机曲线轨迹，并转化成速度-时间的控制曲线；对现场执行层驱动器进行控制。

现场执行层：通过伺服型驱动器，或者带伺服功能的变频器（如Danfoss FC302、SINAMICS S120）配合IO信号传输执行控制层下发的指令。

操作层和控制层之间采用TCP/IP协议，由自定义协议构成主要的报文结构，基于Request/Response机制，PLC或者运动控制器作为服务器，操作台PC机（一般是Windows系统）作为客户机，并在报文帧结构中包含校验码，以保证传输数据正确。

控制层和现场执行层之间采用实时总线现场网络通信，也可采用数字量信号或模拟量信号传输的方式进行给定和反馈。对实时总线，可选择的总线类型包括PROFINET或者EHTERCAT。笔者所在的项目组研发设计的控制系统，均采用PROFINET作为主要现场网络通信类型。

1.2.1 操作台

操作台配置单个或者多个19英寸电容式触摸屏，主机为安装Windows 7的工业PC机，配备2~4个操作手柄，可同时运行多个预设场景和编组，每个操作手柄为一个调速通道，手柄带确认功能，防止误操作（图3）。操作台设置急停按钮，急停按钮和执行层之间不仅使用总线通信，还采用IO硬连接，确保在通信失效的情况下能执行急停功能。



图3 操作台

1.2.2 PLC/运动控制器

使用西门子最新一代S7-1500（T）/SIMOTION D系列控制器作为主控制器，1500F（T）系列较之上代S7-300F（T）系列性能有很大的提升。

速度快。比如，1515-2 PN较之上代315-DP/PN速度快2倍以上，扫描周期循环时间可保持在个位数毫秒级别。浮点性能强，内置PLC Open Motion标准应用，对轨迹插补类运算可在一个周期内完成，保证多轴的同步性能。

总线速度高，抖动低。当采用PROFINET IO IRT时，最快可以达到1 ms的同步刷新速度，设备响应快，精度高。

稳定性和可靠性强。被广泛应用于国民经济重要生产场合，比如重化工、钢铁冶炼、汽车制造业等，稳定性、可靠性值得信赖。

可集成安全控制功能，内置标准安全控制块。符合IEC61508：2010标准，PFH（Average frequencyof a dangerous failure，平均危险失效频率）<1E-09。

1.2.3 驱动器和电机

驱动器采用西门子S120系列或者丹麦DANFOSS FC302 系列变频器，具备以下优点。

（1）可靠耐用，对使用环境要求较低，故障保护措施完整，具备过流、超速、过压、缺相、编码器检测等保护措施；可在0 hz实现满转矩。

（2）内置运动控制功能，可实现高精度定位和同步控制。

（3）具备Safe stop和Safe Torque off，满足安全控制要求。

（4）可驱动三相永磁同步电机或者异步变频电机，兼容性出色。

（5）支持PROFINET实时现场总线，支持PROFIDIRVE运动控制协议。

（6）调试时支持在线自动整定优化，整定后，前馈参数基本正确，位置环和速度环性能优越。

2 操作系统软件功能介绍

DF Stage Control V6是笔者所在公司已发布的最新一代的舞台机械操作软件。该操作系统主要具备以下主要功能。

（1）控制管理功能

场景及编组管理，可编辑剧目。对支持时间轴的设备，有两种运行模式。第一种是按照位置-速度模式，设定设备运行速度、启动时间、最终目标位置参数运行设备（图4）；第二种是按照时间轴运行控制模式，设定多个运行点的参数，包括位置、加速时间、减速时间，以及到达这个点的绝对时间运行设备，其中加速时间和减速时间可以由软件生成默认值，方便用户编辑（图5~图6）。编辑好的曲线段可以复制到同类型设备。



图4 按传统运行方式进行设定



图5 按时间轴运行控制方式多点运行进行设定



图6 时间轴多点编辑界面

（2）设备管理功能

设备管理功能主要是修改舞台机械设备参数，包括当前位置、软上限位、软下限位、脉冲当量、禁用以及运行联锁关系的启用和禁用。设备管理功能需要高权限的用户才能修改，一般是舞台机械的管理员才能修改设备参数。

（3）设备状态监控功能

操作软件主界面状态栏显示设备的当前状态，包括设定的目标位、设定的速度、设定的时间轴点数、设定的运行时间、当前实际位置、当前实际速度、当前实际运行到的时间轴点数、当前实际运行时间、实际载荷、实际电流以及设备实时状态。设备实时状态包括设备运行、停止、急停、联锁信息及故障信息（图7）。



图7 监控区显示界面

（4）系统管理功能

系统管理功能包括语言选择、用户管理、日志管理等。用户管理可以增加、删除用户，更改用户密码；具备管理员权限的管理员用户，可以设定每个用户的权限。日志管理功能，可以查看设备的运行状态、故障信息记录和用户的登陆记录，可以设定日志的记录过滤条件（比如只记录故障信息），可以设定日志的整理和删除条件（比如一个月自动整理删除一次记录）。

3 控制层算法

上位机软件负责规划多点轨迹曲线，并生成每个关键点信息，这些信息包括点的位置、点的时间、点的加减速时间。控制层PLC/运动控制器负责完成运动模型解析，并对每个轴的曲线进行插补密化。对单轴设备而言，则只需要进行插补密化。插补算法采用高次多项式算法，对浮点性能足够的PLC/运动控制器，可以采用5次多项式拟合，即任意一条曲线都可以看成是多段连续的5次多项式曲线拼接而成。



对每段曲线，要求给出C0~C6这6个系数，需要6个方程组成一个方程组。从物理的角度，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次方曲线，只要知道起点的位置、起点的速度、起点的加速度、终点的位置、终点的速度、终点的加速度，即可组成6个方程，求出这6个系数。



其中t∈[0,1]，实际应用中，每个曲线段，对时间T应先进行归一化处理，t=(T-Ts)/(Tf-Ts)，T为实际时间，Ts为当前曲线段起点时间，Tf为当前曲线段终点时间,T∈[Ts,Tf]。



则Y=AC，可得：C=A-1Y；

因此，只要对矩阵A求逆，乘向量Y就可以得到系数向量C，将C代入公式（1）、（2）、（3），便可得到单段曲线任意时刻的位置、速度及加速度。图8为单段（5000，0）到（5375，20）的曲线，其中起点速度为0、终点速度37.5，起点加速度和终点加速度均为0。



图8 5次多项式曲线（从上到下依次为位置、速度、加速度）

4 应用实例

4.1

PALM EXPO 2017展出的《梁祝》

《梁祝》的每一个方块由4个单点吊悬挂，可沿水平面内任意轴倾斜角度，两块方块叠加上升运动和沿相邻边倾斜旋转运动，便可模拟蝴蝶翅膀的姿态。图9是在三维软件规划轨迹时的界面，图10的曲线描述了其中一个吊点的运行轨迹。这些轨迹由上位机规划，下传到控制层，由控制层控制器进行插补，对驱动器进行速度控制。



图9 三维姿态编辑画面



图10 曲线编辑

4.2

厦门Stellar星际酒吧项目

厦门Stellar星际酒吧的中心表演区域为多层圆环，每个圆环由多个圆环片段组成，每个片段由多个单点吊机悬吊（图11）。在自动模式下，受控对象为圆环或者圆环片段，上位机下发受控对象姿态，包括位置、倾角轴和倾角及时间参数，由运动控制器进行运动学解析，转化为每个吊机的钢丝绳索长度（轴位置）、速度、加速度，运行时进行实时插补，对驱动器进行速度控制。在手动模式下，受控对象为单个吊点，可单独进行钢丝绳长度调节，或维护维修时进行单个吊点设备的调试。



图11 星际酒吧设计图

4.3

不同类型设备同步运动

例如升降台和吊杆同步运动（图12）。按照位置-速度控制方式，升降台和吊杆由于不同的减速度和加速度，要保证升降台和吊杆的同步，需要修改驱动器的加减速度参数，对设备使用者而言，存在一定的困难。在基于时间轴的系统中，只要在上位机系统设定加减速时间一致、运行时间一致、最终位置一致，系统就可以规划出速度一致的运行曲线。相比硬编码同步方式，这种方式具有灵活多变，可随时组合不同设备的优点。



图12 升降台吊杆同步运动

5 结语

为了满足日益增长的演艺特效需求，舞台机械从利用杠杆滑轮手动控制到电气时代经典电机控制，再到现代自动控制发展应用，其无一不是运用了当时先进的控制技术。时间轴控制技术，为各种需要严格同步、多轴联动、需要空间轨迹规划展现机械特效的演艺设备提供了一种实现的可能。借鉴工业生产设备和机器人控制技术，并做了适当改造和简化，使其适应于舞台机械控制特性，并让舞台机械操作人员便于操作。经过多个项目

的实践和使用后，证明了其实用性，提升演艺效果的同时也获得了演出团队的好评，是一种在行业内值得推广的控制系统。



选自《演艺科技》2020年第8期 陈永周，马 则《基于时间轴的舞台机械控制系统简介》，转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。

（本文仅用于行业交流学习，并不用于商业用途。文中观点为作者独立观点。如不慎侵涉第三方权益，请与我们联络，我们将第一时间删除处理。）