毕业设计舞台特效控制系统.docx
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毕业设计舞台特效控制系统
摘要
舞台机械自动化控制系统是一个集舞台机械、电力电子技术、网络技术、电视技术、声学、美学等多学科、多界面相互结合的宏大的科学艺术体系。
目前舞台机械自动化设备及其运动的控制已经成为一项重要的研究课题,德国、日本、英国、美国等都有专门的生产厂家和相关的研究机构,它们的历史悠久、经验丰富、产品质量比较高,但价格相对来说比较昂贵。
因此,如果我们能开发出一套技术先进、性能稳定可靠的舞台机械自动化控制系统,那么就能节约成本,降低国家的投资,从而推动我国舞台机械行业的发展。
目前,从设计水平、整体工艺、控制性能以及投资费用方面来看,我国的舞台机械自动化设备同欧洲产品仍有一定差距。
所以,立足于我国国情,研究开发高性能、低成本的舞台机械自动化设备及运动控制系统具有很大的实用价值。
本文针对大型舞剧《粉末春秋》主舞台的配置方案,首先,阐明了系统的硬件选型、组成,控制线路的连接,其次编写了整个系统PLC控制程序,并进一步详细论述了PLC实现多电动机同步控制策略。
本设计中由于选择了步进电机驱动电机,对于步进电机由于它是开环控制元件,为使得控制更加精确增加了反馈环节用到了线性位移传感器。
最后为舞台控制系统绘制了CAD步进电机的电气接线图。
关键词:
同步控制步进电机线性位移传感器CADPLC
ABSTRACT
Automaticstagemachinerycontrolsystemisagrandscienceandartsystemwithstagemachinery,electricpowerelectronictechnology,networktechnology,TVtechnology,acoustics,aestheticscience,andmultipleinterfacecombination.Atpresent,automaticstagemachineryequipmentandmotioncontrolhavebecomeasignificantresearchsubject,Germany,Japan,Britain,theUnitedStatesalreadyhavespecializedmanufacturerandrelatedresearchinstitutes.Theyallhavealonghistory,richexperienceandhigherproductquality,butthepriceisrelativelyexpensive.So,ifwecandevelopaautomaticstagemachinerycontrolsystemwithadvancedtechnology,stableandreliableperformance,costwillbesaved,andnationalinvestmentwillbelower,soastopromotethedevelopmentoftheindustryofourcountrystagemachinery.
Atpresent,fromthelevelofdesign,thewholeprocess,controlperformanceandinvestmentcosts,thereisstillsomedistancebetweenChinaandEuropeintheautomationequipmentofstagemachinery.So,that,beingbasedonChina'snationalconditions,weresearchanddeveloptheautomationequipmentofstagemachineryandmotioncontrolwhichishigh-performanceandlowcost,hascertainpracticalvalue.
Thisarticleaimsatillustratingtheconfigurationschemeofthelargeballet"fenmochunqiu".Firstly,expoundthesystemhardwareselection,composition,controlcircuitconnection.Secondly,writethewholesystemofPLCcontrolprogram,andfurtherexplaintherealizationsynchronousmotorPLCcontrolstrategy.Thisdesignduetochoosethesteppingmotordrivermotor,forstepmotorbecauseitistheopenloopcontroldevice,inordertomakethecontrolformoreaccuratefeedbackpart,Iusethelineardisplacementsensor.Atlast,drawaCADstepmotorelectricalhookupforthestagecontrolsystem.
keyword:
synchronous,steppingmotor,thelineardisplacementsensor,CAD,PLC
第1章绪论
1.1项目的背景及国内外发展现状
1.1.1项目的背景
随着人们文化、生活水平的提高,对舞台节目演出的质量要求也越来越高,舞台的现代化、智能化是必然的发展趋势。
本文是以大型舞剧《粉末春秋》的主舞台研制为背景,全面详细论述了舞台控制系统的设计与实现。
通过智能化控制及机电一体化技术实现舞台的平移、旋转等运动。
针对大型舞剧《粉末春秋》主舞台的配置方案,论述PLC实现多电动机同步控制策略;系统的硬件选型、组成,控制线路的连接;PLC控制程序的编写。
1.1.2国内外发展现况
舞台机械自动化是一个集舞台机械、电力电子技术、网络技术、电视技术、声学、美学等多学科、多界面相互结合的宏大科技艺术体系。
现代舞台技术的发展与科学技术密不可分,随着科学技术的进步现代舞台技术正在发生日新月异的变化,在有限的舞台里创造了更多的发展空间,并给舞台演艺人员提供了更美更广阔的表演场地。
同时,人们对舞台艺术效果追求完美的要求,使得舞台机械自动化设备不仅要运行稳定、定位准确、同步运行精度高、噪音低,而且在运行速度、空间位置变化上要实现丰富多彩,操作上更加方便、灵活,使推、拉、升、降、转的各种功能组合变化更加迅速、便捷,形成机械与艺术的完美结合。
因此,针对舞台机械自动化设备及其运动的控制成为一项重要的研究课题,德国、日本、英国、美国等都有专门的生产厂家和相关的研究机构,而且它们历史悠久、经验丰富、产品质量比较高,但价格相对来说比较昂贵。
我国的舞台机械自动化设备制造起步较晚,最早出现于解放之后,经历了从无到有、从半自动化到全自动化、从单一化到多样化、从低精度到高精度的发展过程。
目前,舞台机械自动化设备从设计水平、整体工艺、控制性能以及投资费用方面来看,我国的舞台机械自动化设备同欧洲产品仍有一定差距。
所以,立足于我国国情,研究开发出高性能、低成本的舞台机械自动化设备及运动控制系统具有一定的实用价值。
在舞台机械自动化设备中,旋转台是常用的一种台下设备,它可以按某一固定或移动轴旋转,用来快速变换舞台场景或制造一些特殊的舞台效果。
对舞台的旋转运动通常要求能无级变速,启动、制动迅速,转动平稳,定位可靠,因而转台的电气传动和调速控制性能成为整个系统乃至演出效果的一项决定性因素。
我国舞台机械自动化与欧洲和亚洲的一些发达国家相比发展较晚。
二十世纪八十年代以前,舞台机械自动化设备只是手动或局部电动的设备。
手动设备要人力拉或推,使用时需要配备许多专门的工作人员。
电动驱动设备不能调速,更无法定位,控制系统是相当简单的常规控制电路,演出时使用的设备数量、操作等受到限制,影响演出效果。
进入二十世纪八十年代,中国剧院为配合大型音乐舞蹈史诗《中国革命之歌》的演出,设置台上、台下舞台机械设备,驱动系统采用滚压技术,控制系统采用直接的计算机控制。
如此规模的应用舞台机械在我国剧院建设中是开创性的,控制系统也是采用当时先进控制技术。
但因液压设备维护量大,控制系统不太稳定,后来设备处于停用状态。
进入二十世纪九十年代后期,随着歌剧、戏曲、音乐、舞蹈、杂技等多重文化的兴起,剧院建设相对进入一个高潮期,对舞台机械自动化设备的需求成倍增长,也对舞台机械自动化设备的性能提出了更高的要求。
舞台的设计大多数为正规的镜框式台口或品字型舞台,台下设备主要有主升降台、左右车台、后车转台、升降乐池等。
台上设备主要配备防火幕、假台口、大幕机、二道幕、吊杆、单点吊机、灯杆、过渡桥、灯光吊笼等。
这时,国际知名舞台机械自动化设备制造厂商纷纷进入中国,积极参与中国的剧院建设及舞台的自动化改造,主要有日本三菱,德国SBS、力士乐公司等,中高端剧院建设几乎被他们垄断。
随着我国国民经济实力的不断增强,人民生活水平的不断提高,文化修养的日渐提升,对文化艺术的需要也越来越高,我国的剧院建设、改造进入了一个蓬勃发展的时期。
而作为现代化剧院不可缺少的主要组成部分——舞台机械自动化设备,也逐渐成为人们关注的焦点。
从舞台机械自动化发展的历史和使用情况来看,舞台机械自动化设备在剧院建成后的长期使用中,起着非常重要的作用。
舞台机械自动化设备最初是为了满足演出中大型场景的切换而设置的可以控制的系统,但现在舞台机械自动化设备除了有大型场景的变化功能之外,还越来越多地参与舞台效果的表演。
通过舞台机械的运动来实现演员的出场、谢幕,或者为营造某种氛围,产生特殊视觉效果的一种手段,成为导演的表演道具,可以说舞台机械自动化设备的性能直接决定了剧院的现代化水平。
尽管国内舞台机械自动化设备生产厂商比较多,但水平参差不齐,国内中低档的舞台机械工程主要是国内厂商承建,极大多数厂商的控制系统与日本模式比较接近,主要的控制器也是PLC,定位靠PLC的定位模块来实现。
1.2课题研究的意义
随着剧院建设的蓬勃发展,舞台机械自动化设备行业的发展前景被人们看好。
据统计,每年舞台机械自动化工程加起来有五个亿人民币,而且呈逐年递增的趋势。
国外舞台机械厂商经验丰富、业绩多、技术先进,目前中高端市场被国外公司所垄断。
但由国外厂商承建的项目,价格很高,这使得很多剧院无法承受,例如日本三菱公司承建的国家大剧院歌剧院舞台机械自动化设备的合同金额就有三千万美元。
舞台机械自动化控制系统作为舞台机械的灵魂,显得尤为重要。
舞台机械的性能在一定程度上来说主要由控制系统决定的。
控制系统先进性决定了舞台机械的现代化水平,控制系统的安全可靠性决定了舞台机械的安全可靠,控制系统的人机界面决定了操作的方便程度。
如果我们开发出技术先进、性能稳定可靠、成本相对较低的舞台机械控制系统,不仅能节约成本,降低国家的投资,而且能推动我国舞台机械行业发展。
舞台机械自动化项目的开发成功,不但使传统的舞台本身发生了实质性的变化,而且是在机械、液压及计算机自动控制方面和机电一体化方面又开发出一个成功的范例,具有明显的经济及社会效益。
舞台机械自动化设备集机械、液压、计算机、电机、自动控制于一体,具有先进性、实用性、创新性等性能,舞台的大量制造对于机械制造业、机—电一体化、自动化行业均有很大的推动作用。
1.3本文的主要研究工作
对舞台空间姿态控制系统的性能、工作方式、工作过程进行了分析研究,参阅了大量的资料。
根据舞剧的要求设计了该舞台控制系统和电气自动化控制系统。
按照控制方案进行了硬件系统的构建,软件系统的设计。
编写了PLC程序,实现舞台空间控制系统的自动化控制。
该舞剧对舞台的具体设计要求是:
该舞台通过电气设计控制能达到使舞台前进、后退、左右、斜行45度、旋转的舞台效果,除此之外还要求舞台可以快速组装(舞台是分片的)。
本文的主要工作:
(1)根据舞台空间姿态控制系统的特点,设计电气控制方案。
(2)综合运用有关课程的知识,了解步进电机调速原理。
(3)掌握有关传感器控制和PLC编程方面的知识,树立正确的设计思想
(4)根据步进电机控制原理,设计带有反馈的控制流程图。
(5)编写PLC控制程序。
(6)画出CAD电机分布图。
第2章系统的组成
2.1舞台特效控制系统的整体要求
一、舞台控制系统的外形尺寸
舞台空间控制系统尺寸(长×宽×高)
标准6×4×5单位m
底座加楼门重2.5单位t
二、舞台空间控制系统的技术要求
控制对象为四个轮子,首先要通过反馈得到每个轮子的实际角度,编程计算出与所发出的命令的角度差,发出相应数量的脉冲给步进电机,对轮子方向进行控制。
而步进电机虽然便宜实用,但是没有伺服电机自带反馈的特点,容易丢步,而伺服电机价格较高,所有在选择使用步进电机控制时,要加入反馈环节,在步进电机执行完命令后,再测一次轮子的角度,反馈至PLC中,再与指定角度相比较,如果有偏差,根据偏差大小,发出相应的脉冲数,使步进电机继续执行,直到反馈信号与给定信号一致,说明角度已经调整正确,可以进行下面的动作。
舞台横向移动时轮子角度设置为0度;纵向移动时90度;45度移动时45度,旋转时四个轮子的角度分别设置为45度、135度、45度、135度
2.2电气部分组成
2.2.1对电机数目的选取方案讨论
针对该舞台的设计要求对可行方案进行了讨论:
该舞台的电气控制采用直流电机来实现,具体到采用几个电机比较合理进行了考虑如下:
1、若采用一个电机,对于舞台的方向性控制不好,故不宜采用。
2、若采用两个电机,一方面对舞台的方向性控制不好,另一方面舞台的钢结构性能不好。
3、若采用三个电机,对舞台的方向性具有了一定的控制力,但考虑到三台电机对舞台的支撑性能不够好。
4、由于以上三种情况故而至少选用四台电机,既满足了对舞台方向性的控制要求又满足了对舞台的支撑性能要求。
介于以上对电机数目的选择,对该设计应采用4套动力装置,每套动力装置中有主驱动装置,转向驱动装置。
2.2.2对电机类型的选取
对于该驱动电机选择直流型,现对选取直流电机理由如下:
1、对直流电动机交流电动机在实际应用中的比较:
直流电机调速方便,低速转矩大,技术比较成熟,可简易调速。
而交流电机结构简单,运行可靠,采用V/F可方便调速。
但这种调速方式牵涉到电源转换问题,一般蓄电池都是直流的,可移动性较好,而交流电源比较固定。
2、对该舞台四套电机系统中旋转电机都采用步进电机。
在自动控制系统中,常常需要把数字信号转换为角位移。
步进电机就是一种用电脉冲进行控制、讲电脉冲信号转换为相应角位移的电机。
步进电动机输入一个电脉冲就前进一步,其输出的角位移与输入的脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比。
它在数控开环系统中作为执行元件,例如用在数字程序控制线切割机、平面绘图机中。
使用最多的一种步进电机是反应式步进电机。
永磁式步进电动机和感应子式永磁步进电动机的基本原理与反应式步进电动机相似。
直流永磁式驱动电动机的磁场不变,电压与转速成正比。
3、采用步进电机的缺点及需要改进的地方:
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线性位移的开环控制元件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得其在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。
但是步进电机是开环控制元件,由于开环控制元件控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制单方向进行,故而开环控制元件的控制精度通常较低、无自动纠偏能力。
介于以上对步进电机缺点的分析,我们对该舞台控制系统采用步进电机的控制方式进行了修改,采用增加反馈环节的方式来解决步进电机开环控制的不足。
以下做简单的介绍:
在对步进电机控制原理的分析研究之后,我们在步进电机给转向驱动装置提供脉冲的过程中,在角度驱动电机与转向驱动轮之间增加了一个反馈环节,此环节用于检测、控制步进电机是否按照给定的角度要求来给转向驱动装置发送脉冲。
此反馈环节会有两种情况出现:
一、当步进电机按要求正常发送脉冲数目给转向驱动装置时,反馈环节检测到到步进电机工作正常,此时反馈环节不做任何处理;二、当步进电机工作出现误差或由于控制过程出现偏差时,反馈环节会检测到步进电机未按规定要求给转向驱动装置发送正确的脉冲数目,此时反馈环节起作用,经过反馈环节的比较之后会反馈与所缺脉冲数目成一定比例的电压值给步进电机的控制系统,使得步进电机补发不足的脉冲数,使其工作在正常状态。
4、对于步进电机选择另外比较重要的原因是:
步进电机比起交流伺服电机来更经济实用,控制简单。
2.2.3对转向控制系统中反馈环节器件的选择
对于给步进电机控制系统所要加的反馈控制系统有两种办法可以选择,介于现场的舞台设计要求的考虑我们选其中的一种,具体办法及其取舍分析如下:
一、反馈环节采用线性位移传感器来检测步进电机是否正常工作。
该线性位移传感器的简单工作原理是:
在一定的小范围角度内,一定的角度对应一定的长度,他们之间在这个小范围内的关系是呈线性的,然后该传感器再将所测得的长度转换为一定量的电信号,该电信号再与开始所规定的角度转换成的电信号做比较,若与规定角度转换成的电信号相符合则不处理;若与规定角度转换成的电信号不符合则需要把比较后所差电信号反馈到步进电机,进行相应的调整。
二、反馈环节采用多圈电位器来检测步进电机是否正常工作。
该多圈电位器的简单工作原理是:
多圈电位器也是通过一定角度范围的线性关系来检测角度的器件,多圈电位器在上电后,等步进电机发送的脉冲转换为转向轮上一定的圈数(即一定的角度),转向轮再通过连轴器与多圈电位器相连,多圈电位器对转向轮转过的圈数即角度进行监测,多圈电位器是直接线性反应角度的器件,此时多圈电位器将角度信号转换为电信号与规定角度的电信号进行比较。
若多圈电位器与所规定角度的电信号正好相符合,则不做处理;若多圈电位器与所规定角度的电信号不符合,则多圈电位器反馈电压信号给步进电机,使其补发不够的脉冲。
对于以上两种反馈环节器件的比较,他们的在舞台特效控制系统中所起的作用都相同,但是由于第一种线性位移传感器的占用空间比较大,考虑到舞台设计的要求,在都能满足条件的情况下,我们选择第二种比较简单实用且占用空间比较小的多圈电位器来实现所要求的控制效果。
2.2.4对主电机速动控制中调速方式的选择
为了满足舞台特效控制系统中,舞台可快速组装的要求对驱动主动轮工作的主电机采用24V直流电源。
有两种方法可实现调速,对这两种方式分析如下:
一、采用交流电动机,通过V—F转换来调速。
定电压频率比(定V/F)是一种基本的交流调速方法。
其基本原理是在调速过程中保持电压和频率的比值不变,从而使每极磁通量为定值。
空间矢量脉宽调制(SVPWM)是一种新型的脉宽调制模式,它不但对三相交流电机产生的谐波失真最小,而且还能提供比正弦调制更有效的电压。
二、采用直流电动机,用IGBT降压斩波调速。
直流斩波调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源,并更具需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的“占空比”,从而改变平均电压,控制电机的转速。
在脉宽调速系统中,当电机通电时其速度增加,电机断电时其速度减低。
只要按照一定的规律改变通、断电的时间,即可控制电机转速,而且采用直流斩波技术构成的无极调速系统,启停时对直流系统无冲击,并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。
对于以上分析对该舞台主电机的速度控制部分选择直流电动机,用IGBT降压斩波的调速方式。
2.3硬件部分组成
2.3.1PLC的选择
S7-200PLC基础知识
可编程控制器(PLC)是一种数学逻辑运算与操作的控制装置。
它作为传统继电器的替代产品,广泛应用于工业控制的各个领域。
由于PLC可以通过软件来改变控制过程,具有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能力强及可靠性高等特点,因此特别适合在恶劣环境下运行。
在舞台控制系统中我们选用西门子S7-200系列PLC,它是德国西门子公司生产的一类小型PLC,它以结构紧凑、价格低廉、可靠性高、指令集丰富、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力和丰富的扩展模块等特点在集散自动化系统中发挥着强大的作用。
S7-200系列PLC使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制,应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
PLC通过输入/输出点与现场设备构成一个完整的PLC控制系统,因此要综合考虑现场设备的性质及PLC的输入/输出特性。
S7-200PLC属于小型PLC,其主机的基本结构是整体式,主机上有一定数量的输入/输出点,一个主机单元就是一个系统。
它还可以进行灵活的扩展,如果I/O点不够,则可以增加I/O扩展模块;如果需要其他特殊功能,如特殊通信或定位控制等,则可以增加相应的功能模块。
一个完整的系统组成如图2-1:
图2-1S7-200PLC系统组成
1.主机单元
主机单元,又称CPU模块。
它有CPU、存储器、基本输入输出点和电源组成,是PLC的主要部分。
实际上它就是一个完整的控制系统,可以单独完成一定的控制任务。
(1)主机外形见图2-2
图2-2S7-200系列PLC主机外观
图2-3S7-200系列PLC的基本构成
本设计采用CPU226来实现
CPU226具有24输入/16输出共40个数字量I/O点,连接7个扩展模块单元,最大可扩展至248个数字量I/O或35路模拟量I/O,组成的I/O端子排列可以很容易地整体拆卸。
具有13KB程序和数据存储空间、6个独立的30KHz的高速计数器、2路独立的20KHz的高速脉冲输出、PID控制器、2个RS-485通信/编程口、点对点接口PPI通信协议、多点接口MPI通信协议和自由通信口。
2.扩展模块
扩展模块主要有4类:
数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、通信模块和特殊功能模块。
当主机单元模板上的I/O点数不够时,或者涉及到模拟量控制时,除了CPU221外,可能通过增加扩展单元模板的方法,对输入/输出点数进行扩展。
在进行I/O扩展时,要考虑以下几个因素:
①CPU主机模板所能够扩展模板数
②CPU主机模板的映像寄存器的数量
③CPU主机模板在5VDC下所能提供的最大扩展电流。
例如:
CPU224提供的扩展电流为660mA,可以有几种扩展方案:
A、4个EM223,DI16/DO16晶体管/继电器模板和2个EM221DI8晶体管模板,消耗的电流为4×150+2×30=660mA。
B、4个EM223,DI16/DO16晶体管/继电器模板和1个EM222DO8晶体管模板,消耗的电流为4×150+1×40=640mA。
C、4个EM223,DI16/DO16晶体管输出模板,消耗的电流为4×160=640mA。
图2-4EM235
本设计采用235
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