舞台机械技术与设备系列谈（七）——演艺秀场舞台机械的定位及同步控制

董令波，侯鹏强

（1. 天津舞台科学技术研究所，天津 300050； 2. 成都炎兴自动化工程有限公司，四川 成都 610052）

演艺秀又称旅游秀，根据场地条件可分为室外实景演出和室内演艺秀两种。室外实景演出是国内演艺秀最初的发展形态，主要是结合当地的旅游资源，以真山真水为舞台背景，采用高科技手段，表现当地民俗和文化。由于演艺秀多是量身打造，所以演艺秀场特点鲜明。由于中国幅员辽阔，很多地区受气候和演出时间的制约，室外实景演出受到一定的室外环境的制约，越来越多的室内演艺秀应运而生，其演艺秀场与传统的歌剧院、戏剧院、话剧院、音乐厅、多功能厅等演出场所相比，不是用于巡演剧目，而是演出某一主题的固定剧目，配套的建筑、舞台设备、周边设施都为该剧目量身打造，具有很强的主题性和独特性。

图1 具有鲜明主题的演艺秀

近年来，中国新建了不少的演艺秀场，如重庆《归来三峡》、陕西汉中《汉颂》、四川峨眉《只有峨眉山》（见图1）、宁夏《西江盛典》、山东《尼山圣境》等。这些秀场借助舞台技术手段和艺术表现手法，给人更为真实、震撼的感觉，对景区旅游起到了很好的拉动作用。

演艺秀场类机械设备的设计限制较多，常常受限于舞台的空间尺寸、环境因素、表演形式、需要呈现的效果等，设计难度较大，需要的特殊种类的设备较多。如基于水下升降平台的设计、基于多电机刚性同步的设计等，也对演艺秀场机械所需的电控提出了更高要求。笔者针对演艺秀场机械设计中定位及同步控制常见的问题，根据不同应用状态及实际经验给出相应的解决方案，并归纳出控制系统的共性。

1 不同应用形态下的定位及同步控制

演艺秀场涉及的机械设计问题较多，笔者主要针对实践中遇到的常见问题进行梳理，并给出解决的方法。

1.1 液压驱动下的定位和同步

相比电机直接驱动，液压驱动由于安装简单、防水、驱动力可做到更大等特性广泛应用于各种秀场中。但液压驱动也有自身的不足，如液压运行相对精度不高、受外部环境影响大、控制难度大等缺点，限制了液压驱动在演艺秀场方面的一些应用。

液压驱动在演艺秀场的使用中，对其控制需要注意如下情况。

（1）单缸驱动方式相对简单，控制难度较低，但通常此类应用场所较少，单缸可顶升或者提升的设备都较小，可通过电机直驱的方式来替换。单缸在有位置定位要求的情况下，可增加拉线或者直线位移传感器，通过PLC采集位置信息进行PID调节，从而达到定位要求。

（2）多缸同步，这种应用方式最为常见。比如一个升降平台通过4个液压缸顶升驱动。相对简单的方式为采用同步阀进行直接分配，多数液压厂家都有对应的产品提供，精度基本够用，但使用不灵活，有些场合不一定能用，后期需要对油路进行维护保养，而且，同步的缸数量受限，对于更多缸的同步实现有难度。比较复杂但更灵活的方式是采用电同步，每个缸单独配置位移传感器和比例阀（或者伺服阀），通过PLC采集位置传感器值，并且根据转换过后的位置值调节每个阀输出大小，从而实现缸的同步。

如图2所示，为某实景演出用的表演船，船下设置4条液压驱动的导轨，通过液压缸的伸缩可带动船体进行水中升降，模拟船体沉没的过程，船体升降行程可达3 m。系统采用的控制方案如图3所示，整个系统采用4组完全独立的液压缸进行整个船体的驱动，通过PLC输出模拟量，驱动比例阀运行，同时PLC采集四路油缸的位移信息，并进行对应的速度调节，保证四个液压缸的同步。在系统中设置了误差区间，为了保证安全，在误差值超过一定量时将停止四个缸的运行。

图2 实景演出液压表演船

图3 液压的控制框图

1.2 多电机驱动下的同步控制

演艺秀场常会遇到需要多个电机刚性同步的应用，比如一个升降平台，受限于安装空间或运行空间，无法采用单电机驱动传动轴互联的方式，需要采用2台以上的电机同时驱动。为了实现硬性同步，一般需要配置2个编码器，1个增量编码器，1个多圈绝对值编码器。增量编码器一般用来作为速度环进行速度调节，多圈绝对值编码器做最终位置调节，多圈旋转的最大圈数应该大于绝对值编码器最大行程所需圈数。用多圈绝对值编码器主要是为了实现由工程人员调试完成后，后续可交给普通的维护人员来维护，基本消除由于增量编码器脉冲丢失或者干扰带来的位置积累误差。

上海某场馆的一个升降平台，由于基坑受限，无法像常规升降平台设计地轴传动，配置了3台11 kW电机，分别从不同的位置进行平台的顶升。系统配置了3个变频器分别驱动3台电机，而不是采用一个大功率变频器驱动3台电机，配置了6个编码器，每台电机均是双编码器配置。同时，为了考虑应急情况，还为系统配置了一套应急操作系统，采用1台37 kW的变频器进行3台电机的直接驱动；并考虑了安全开关的设置，在应急操作模式下，编码器未接入应急系统，故无法判断设备的运行情况，要求操作员在设备运行过程中进行严格的设备运行确认和实时观察。

除了刚性同步，有时候还需要考虑其他类型的同步，或者同步中需要考虑的其他问题。比如某秀场中采用了4条长度为100多米的刚性链板传送带（见图4），传送带两侧各放置一台电机，运行过程中需要2台电机同步。由于整个传送带跨度较大，又采用刚性材质，而运行过程中传送带运行的时间和距离又特别大。这种情况下2台电机的传动机构无法做到完全一致，累积的误差会越来越大且不易消除，故该同步方式不仅需要考虑基于编码器的位置同步，还需要考虑电机本身的力矩问题，将变频器的电流等因素都需要一并考虑，否则就会出现电机同步过程中单台电机由于电流过大造成过载停机。

1.3 速比不一致设备的同步

对于多数演艺秀场的机械类设备而言，有部分设备的最大速度并不一致，但应用中，会要求该类设备之间做速度和位置的同步。比如，9个升降平台，台体大小不一样，设备电机功率不一样，最大速度也不一样，但是使用中需要将不同的升降平台进行组合同步运行。该种模式下，需要将设备的运行速度全部量化为统一的单位，不可采用百分比或者其他的量化方式；还要考虑变频驱动设备在启动过程中由于励磁时间不一致而造成的设备起始速度不一致的问题。

针对转台和转环的同步要求，一般采用摩擦轮多电机驱动的方式不容易实现速度闭环控制，需要自己在主控做轨迹规划，将生成的轨迹分配到圆环，进行下一步调节。如图5所示，为3个转环同步的实际图，其中内环由2台1.1 kW电机驱动，中环由4台1.1 kW电机驱动，外环由4台2.2 kW电机驱动，3个转环都采用摩擦轮驱动，可将3个转环进行简单的编组操作即可实现精确同步。最终同步效果能满足实际的使用需求，3个转环同步精度高，用户使用方便。

图4 刚性链板传送带

图5 3个转环同步

1.4 可移动平台的定位

可移动平台大体上分为两种，一种是无轨道的移动平台，一种是带轨道的移动平台。

对于无轨道的移动平台，存在定位难度大的现象，用车体自身轮子上带的编码器，很难解决由于打滑等带来的空间位置值不准确的问题。为了实现准确定位，一般需要在外部加装激光定位传感器，但采用激光定位传感器也有其弊端：

（1）该方式价格较高，单只传感器的价格在几万到十多万不等；

（2）该类型传感器多数需要安装反射条，对于有些场馆并不完全适用。

对于带轨道的移动平台，可采用色带或者磁导的方式来实现，更为简单可靠，但该类情况不适合多个车台需要拼接运行的场所。如图6所示，为某室外带轨道移动平台，采用无线+蓄电池供电的方式，多组蓄电池串联供电，供电电压高达280 V，可直接给变频器直流母线单元供电，驱动变频器运行。对于控制单元，采用单独的蓄电池供电，减少变频器运行中瞬间过大的电流冲击造成的干扰以及控制电压的不稳。

图6 某项目室外移动平台

2 控制系统的共性

演艺秀场机械设备种类较多，需要解决的问题也不一致，但是对于控制系统而言还是存在一些共性。

（1）高响应控制器：秀场通常涉及的需要同时运行的设备数量和动作复杂程度比较高，采用常规的处理器往往难以满足此类需求，可采用专用的轴控制器或者基于定时扫描周期的高速PLC。

（2）高速总线；对于大批量设备同时运行的需求和多个设备之间的高速同步，均需要高速总线能快速协调设备间的动作，并在需要安全互锁等停车应用中，快速停止与其相关的其他设备。

（3）运动控制算法：对于各种需要同步的设备，一般需要进行运行轨迹的规划，此类运动控制算法有相同点，如规划各种加减速曲线、速度调节、绝对位置定位、相对位置定位等。

3 结语

演艺秀场设备的复杂性越来越高，设计难度也随之增加，这就需要电控和机械设计人员在设计之初进行充分的沟通，否则容易出现机械人员设计出来的设备电控人员无法完成良好控制的尴尬局面。演艺秀场还存在的一个问题就是要求的变更，有些剧场在实施过程中，由于导演团队思路的变更，也容易造成后期整个项目批量设备的更改，为了避免或减少该类问题，可考虑将仿真团队纳入到前期的方案设计当中，使得整个策划团队能对全局有更直观的认识。