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(duì)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。
旅游類劇場(chǎng)通常希望打破常規(guī)劇場(chǎng)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(tái)。該類舞臺(tái)需要克服大規(guī)模大載荷舞臺(tái)設(shè)備帶來的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、傳動(dòng)、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(tái)旋轉(zhuǎn)升降技術(shù)應(yīng)用。其舞臺(tái)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(dòng)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(tái)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(chǎng)式露天藝術(shù)劇院。
為了實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)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(dòng)變換，其平移開合不同的劇場(chǎng)有不同的要求。如無錫靈山梵宮劇場(chǎng)的大型結(jié)構(gòu)二維空間平移開合技術(shù)，其劇場(chǎng)的圓形墻體是環(huán)形舞臺(tái)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(dòng)。當(dāng)8扇墻體圍合成封閉圓時(shí)，劇場(chǎng)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(dòng)、插銷定位等21個(gè)動(dòng)作，綜合采用鏈條、齒條、摩擦等多種傳動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)與弧形運(yùn)動(dòng)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(tái)，如圖4所示。
室外表演或?qū)嵕把莩鐾枰蟮奈枧_(tái)設(shè)備，提供與演出環(huán)境相適應(yīng)的大型表演舞臺(tái)，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(dòng)形式的組合，實(shí)現(xiàn)大型舞臺(tái)場(chǎng)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(tái)由旋轉(zhuǎn)相切的圓形組成，天棚穹頂是舞臺(tái)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(dòng)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(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)、虛擬圓心定位、電纜滑車供電、液壓系統(tǒng)隨動(dòng)等方式，實(shí)現(xiàn)大型圓弧轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)設(shè)備的同步問題，穩(wěn)態(tài)同步控制精度小于５ mm。
在舞臺(tái)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(tái)場(chǎng)景運(yùn)行處理技術(shù)
利用多控制臺(tái)管理設(shè)備原則，解決多控制臺(tái)控制設(shè)備優(yōu)先級(jí)的問題；應(yīng)急場(chǎng)景控制的設(shè)備切入、切出功能，可加強(qiáng)舞臺(tái)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(duì)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(duì)控制系統(tǒng)從重要局部到全局操控的總體把握，保證舞臺(tái)機(jī)械的集中管理和分散控制，且所有冗余控制方式對(duì)于用戶都是自動(dòng)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(chǎng)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(cè)電路，通過失速檢測(cè)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(chǎng)演出人員及設(shè)備的安全；利用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及加強(qiáng)技術(shù)，可對(duì)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(duì)臺(tái)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(chǎng)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(tái)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(chǎng)景運(yùn)行控制模式，實(shí)現(xiàn)在沒有場(chǎng)景編程計(jì)算機(jī)參與時(shí)，獨(dú)立控制舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備場(chǎng)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(chǎng)舞臺(tái)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(tái)遠(yuǎn)程服務(wù)軟件，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)廠家技術(shù)人員和現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)中某個(gè)環(huán)境中，并操作、控制劇場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在對(duì)虛擬劇院空間中進(jìn)行設(shè)備控制的體驗(yàn)和交互。
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(dòng)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(duì)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(dòng)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(tái)的運(yùn)動(dòng)設(shè)備。對(duì)于大型舞臺(tái)系統(tǒng)，這種PLC的方式非常適合。舞臺(tái)機(jī)械的軸控制器技術(shù)主要為一些專業(yè)做舞臺(tái)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(dòng)態(tài)性能的運(yùn)動(dòng)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(shì)。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(dòng)設(shè)備的數(shù)量在上百臺(tái)的數(shù)量級(jí)，因此，占用實(shí)時(shí)總線系統(tǒng)的資源也相對(duì)較多。
目前國(guó)內(nèi)廠家以PLC控制為主，國(guó)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(duì)解決和處理舞臺(tái)機(jī)械的控制問題，兩種控制系統(tǒng)均能滿足舞臺(tái)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(huì)取長(zhǎng)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(duì)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。
變頻驅(qū)動(dòng)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(dòng)控制是通過閉環(huán)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(duì)交流異步電機(jī)的軟啟動(dòng)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(dòng)器是按指令要求，對(duì)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(dòng)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(dòng)器、運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)控制領(lǐng)域，用于高精度、高響應(yīng)、高性能場(chǎng)合；根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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)。
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(píng)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(jí)SIL（Safety Integrity Level），共分4個(gè)等級(jí)，SIL1至SIL4，SIL4為最高等級(jí)。對(duì)于舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備，目前希望達(dá)到的安全完整性等級(jí)為SIL3[5]。
安全完整性等級(jí)(SIL)是一種評(píng)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(píng)估，硬件可靠性計(jì)算和評(píng)估、軟件評(píng)估、環(huán)境試驗(yàn)、EMC電磁兼容性測(cè)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(hào)的，即對(duì)于具備SIL3認(rèn)證的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備，只能說明設(shè)備本身具備與SIL3規(guī)定相對(duì)應(yīng)的安全可靠性，由于劇場(chǎng)環(huán)境、使用人員等不確定因素造成的復(fù)雜性，舞臺(tái)機(jī)械的設(shè)備安全還有其使用過程諸多因素的考慮。
.png)
