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摘要：

根據(jù)北京冬奧會(huì)上空舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的實(shí)際使用需求，給出了其控制系統(tǒng)的軟件、硬件設(shè)計(jì)解決方案。從控制系統(tǒng)架構(gòu)、安全控制策略實(shí)施和先進(jìn)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式等三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的解析。

引言

2022年2月4日，北京冬奧會(huì)開(kāi)幕式為全世界觀眾奉獻(xiàn)了一場(chǎng)簡(jiǎn)約、浪漫、唯美、空靈的視聽(tīng)盛宴。其中，上空舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：上空設(shè)備）作為冬奧會(huì)開(kāi)幕式上實(shí)現(xiàn)理念創(chuàng)新與科技力量完美融合的核心設(shè)備，其重要性不言而喻。上空設(shè)備包括上空威亞系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：威亞系統(tǒng)）、主火炬姿態(tài)調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。在隆重盛大的開(kāi)幕式演出中，參與廠商眾多，應(yīng)用到的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相互之間的交叉干涉時(shí)有發(fā)生。因此，在對(duì)上空設(shè)備進(jìn)行操控時(shí)，更是需要考慮到多方面的因素，任何環(huán)節(jié)的失誤都可能導(dǎo)致演出中斷，帶來(lái)不可彌補(bǔ)的損失與影響。鑒于此，控制系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

1）高可靠性

首先，保證控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性（包括通訊容錯(cuò)、驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)和操作容錯(cuò)）；其次，保證即使在個(gè)別設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，也要有備份手段確保系統(tǒng)能夠繼續(xù)運(yùn)行，完成演出環(huán)節(jié)的必要?jiǎng)幼?；最后，保證系統(tǒng)在時(shí)間上、空間上的運(yùn)行精確度高，誤差小。

2）高安全性

上空設(shè)備都是在距離地面幾十米的高空完成表演，且多個(gè)設(shè)備運(yùn)行還需和地面演出設(shè)備配合聯(lián)動(dòng)完成，加上地面演出人員眾多，因而設(shè)備運(yùn)行（包括空中自身位置、相互姿態(tài)）安全至關(guān)重要?？刂葡到y(tǒng)必須具備各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)控及緊急處理手段，保證能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并進(jìn)行緊急處理。

1 控制對(duì)象描述

根據(jù)國(guó)家體育場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：鳥(niǎo)巢）的特點(diǎn)，新建的威亞系統(tǒng)由頂部支撐系統(tǒng)、承載鋼索、威亞裝置等組成，布置于鳥(niǎo)巢頂部。根據(jù)導(dǎo)演創(chuàng)意需求，南北布置3組10根固定索（8根直徑28 mm承載鋼索、2根直徑18 mm電纜鋼索），總跨度約200 m。

在3號(hào)鋼索上懸吊主火炬系統(tǒng)。其中，火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)重4.4 t，火炬自重2.2 t?；鹁鎴?zhí)行機(jī)構(gòu)吊掛在威亞小車(chē)之上，承擔(dān)了開(kāi)幕式主火炬的供電、供氣及信號(hào)傳輸、提升和旋轉(zhuǎn)功能。

1.1 威亞系統(tǒng)

威亞系統(tǒng)包括10套威亞設(shè)備，由36臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)控制威亞設(shè)備進(jìn)行升降、水平移動(dòng)，完成控制道具（奧運(yùn)五環(huán)、大滑板、火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)）動(dòng)作舞臺(tái)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)創(chuàng)意場(chǎng)景。

1）五環(huán)控制過(guò)程。提前控制2臺(tái)威亞小車(chē)水平移動(dòng)至冰立方上方，兩吊點(diǎn)同步下降與冰立方內(nèi)的五環(huán)對(duì)接；隨著冰立方的升起，威亞同步升起到一定高度，然后停留在事先預(yù)定的位置；演出結(jié)束后，按要求降落到地面的冰立方內(nèi)。

2）火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制過(guò)程?？刂?吊點(diǎn)威亞小車(chē)水平同步移動(dòng)到中央升降臺(tái)的位置，將威亞的四吊點(diǎn)同步降入中央升降臺(tái)內(nèi)以便與火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接；然后隨著中央升降臺(tái)升起至地面指定高度。威亞水平移動(dòng)時(shí)，要控制收攬器對(duì)電纜進(jìn)行相應(yīng)收放。

3）大滑板控制過(guò)程?；迨孪葢覓煸谕讳撍鞯?個(gè)威亞上，控制威亞水平移動(dòng)使滑板從南到北移動(dòng)，同時(shí)控制威亞升降，使滑板運(yùn)動(dòng)軌跡為開(kāi)口向上拋物線型。兩威亞的水平移動(dòng)和升降動(dòng)作都應(yīng)保持一致。

1.2 火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)

火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)裝置、提升裝置、移動(dòng)吊點(diǎn)、電纜卷筒組成，由11臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)控制這些裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制，實(shí)現(xiàn)相關(guān)創(chuàng)意場(chǎng)景。

整體控制流程如下：

1）準(zhǔn)備過(guò)程?？刂埔苿?dòng)吊點(diǎn)1和移動(dòng)吊點(diǎn)2至中間位置，將提升裝置1的吊點(diǎn)、電纜卷筒1和電纜卷筒2上的電纜和氣管下降到指定位置，以便與設(shè)備連接，為火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作及供電做準(zhǔn)備。

2）調(diào)整火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)?？刂铺嵘b置1提升，使火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)由水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)至45°，然后設(shè)備等待點(diǎn)火；提升裝置1提升的過(guò)程中，電纜卷筒同時(shí)收縮電纜和氣管，地面裝置同時(shí)配合托動(dòng)火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3）調(diào)整火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)提升。點(diǎn)火完成后，控制提升裝置1繼續(xù)提升，使火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)豎立并提升至指定高度；提升裝置1提升的過(guò)程中，電纜卷筒同時(shí)收縮電纜和氣管；火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)豎立過(guò)程中，地面裝置要配合相應(yīng)動(dòng)作。

4）調(diào)整火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)?；鹁鎴?zhí)行機(jī)構(gòu)提升到相應(yīng)位置后，控制旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)以1 r/min的速度持續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到接收停止命令后停止。

5）調(diào)整火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)下降。表演結(jié)束以后，將火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)下降至初始狀態(tài)，控制過(guò)程是以上過(guò)程的反過(guò)程。

2 架構(gòu)組成及功能

控制系統(tǒng)根據(jù)鳥(niǎo)巢設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)和導(dǎo)演創(chuàng)意安排，在北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司自主研發(fā)的舞臺(tái)機(jī)械控制軟件基礎(chǔ)上，依據(jù)分布式設(shè)計(jì)理念，采用模塊化配置思路，通過(guò)分層邏輯結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備、遠(yuǎn)程安全采樣信號(hào)、安全保護(hù)輸出與核心控制器快速方便地聯(lián)系起來(lái)，為機(jī)械設(shè)備運(yùn)行提供實(shí)時(shí)、安全、可靠的運(yùn)行保證。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)功能劃分為PLC運(yùn)行子系統(tǒng)（控制級(jí)軟件）、人機(jī)界面管理子系統(tǒng)（管理級(jí)軟件）和驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)（現(xiàn)場(chǎng)級(jí)軟件）。

2.1 PLC運(yùn)行子系統(tǒng)

采用透明化編程方式和可配置編程思路，主要功能包括：

1）運(yùn)行控制：設(shè)備位置控制、速度控制和時(shí)間控制；

2）安全保護(hù)：檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)并和已建立的安全規(guī)則進(jìn)行比對(duì)，及時(shí)阻止異常事件發(fā)生；

3）命令執(zhí)行：接受HMI各種命令，通過(guò)各種執(zhí)行函數(shù)和數(shù)據(jù)塊實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能；

4）狀態(tài)反饋：監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行，數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞到HMI顯示界面中，包括各種報(bào)警信息和狀態(tài)信息。

2.2 人機(jī)界面管理子系統(tǒng)

1）設(shè)備單控：將設(shè)備分配到控制臺(tái)上不同的功能區(qū)，手動(dòng)控制設(shè)備速度和位置，適合裝臺(tái)和維修模式；

2）編場(chǎng)控制：場(chǎng)景運(yùn)行過(guò)程中的多個(gè)設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制，包括曲線、跳躍及多段等空間復(fù)雜設(shè)備順序動(dòng)作；

3）信息圖示：包括設(shè)備狀態(tài)信息、報(bào)警信息以及柱狀圖、3D顯示的設(shè)備排布位置信息；

4）維護(hù)操作：操作權(quán)限管理、設(shè)置數(shù)據(jù)、設(shè)備禁用、屏蔽外部故障、旁路選擇、報(bào)警及復(fù)位、編組同步等功能。

2.3 驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)

主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速定位運(yùn)行，包含以下功能：

1）運(yùn)行控制：接收來(lái)自PLC的位置控制、速度控制和時(shí)間控制命令，驅(qū)動(dòng)威亞電機(jī)按指令運(yùn)行；

2）狀態(tài)反饋：傳遞變頻器狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)給PLC。

3安全策略實(shí)施

控制系統(tǒng)是整個(gè)舞臺(tái)設(shè)備的指揮中樞，可靠性和安全性是承接北京冬奧會(huì)舞臺(tái)控制系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)理念，保證控制系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的高魯棒性和強(qiáng)抗干擾性是其必要條件。從電氣設(shè)計(jì)、軟件編程到設(shè)備帶裝聯(lián)排，可靠性和安全性應(yīng)始終貫穿在所有舞臺(tái)機(jī)械工程實(shí)施環(huán)節(jié)。

3.1 冗余雙控制臺(tái)+備用遠(yuǎn)程手控盒

控制系統(tǒng)采用三種控制模式互為備份，分別為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)程序控制、遠(yuǎn)程控制臺(tái)手動(dòng)控制、備用遠(yuǎn)程手操盒端子近控。為增加系統(tǒng)的多種操作手段，采用“靜態(tài)搶權(quán)后次有效、動(dòng)態(tài)讓權(quán)運(yùn)行有效”多控制臺(tái)的安全管理技術(shù)。中央兩控制臺(tái)既可以同時(shí)使用，亦互為備用。所有的控制臺(tái)獨(dú)立授權(quán)、方式平等，操作方式之間轉(zhuǎn)換不需要等待時(shí)間。用戶(hù)可進(jìn)行多控制臺(tái)同時(shí)控制場(chǎng)景運(yùn)行，也可由其中的某控制臺(tái)單獨(dú)控制場(chǎng)景。所有控制臺(tái)是熱冗余狀態(tài)，任何控制臺(tái)都能替代，出現(xiàn)故障并不影響其他控制臺(tái)工作。

控制系統(tǒng)中設(shè)置本地操作處理器，在中央控制臺(tái)旁邊放置備用遠(yuǎn)程手控盒。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，該操作處理器充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的作用，監(jiān)督設(shè)備運(yùn)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)致命錯(cuò)誤造成網(wǎng)絡(luò)、控制臺(tái)或是核心處理器癱瘓不能工作時(shí)，本地控制器通過(guò)備用遠(yuǎn)程手控盒喚醒，接管設(shè)備備用驅(qū)動(dòng)控制權(quán)限，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備繼續(xù)控制。

這種操作冗余熱備份技術(shù)，做到了不因?yàn)榉比叩氖跈?quán)管理而延緩各控制模式對(duì)設(shè)備的控制，也杜絕了多操作方式對(duì)同一設(shè)備操作而造成命令的混亂從而使設(shè)備失控。

3.2 冗余光纖環(huán)網(wǎng)+路由星型網(wǎng)絡(luò)

主干通訊網(wǎng)絡(luò)采用光纖環(huán)網(wǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)方向或是一段網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題時(shí)，可從另外一側(cè)路由傳輸相同的數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備采用管理型交換機(jī)支持的星型網(wǎng)絡(luò)傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)預(yù)先規(guī)劃備用路由路徑，降低某一個(gè)或幾個(gè)設(shè)備通訊中斷對(duì)網(wǎng)絡(luò)的干擾。

網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)冗余結(jié)構(gòu)顯著提高了設(shè)備的可用性，單個(gè)鏈路的故障對(duì)通信沒(méi)有影響。采用管理型交換機(jī)配置的路由星型網(wǎng)絡(luò)，所需的維修工作可以在不需要停機(jī)的情況下進(jìn)行。在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，通過(guò)人機(jī)界面管理系統(tǒng)，可以快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)診斷并加快故障排除。

為進(jìn)一步保障網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)性，對(duì)所有遠(yuǎn)距離的光纖進(jìn)行硬件備份，當(dāng)光纖出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)更換。

3.3 冗余熱備驅(qū)動(dòng)

所有主要設(shè)備均設(shè)置兩套電氣驅(qū)動(dòng)裝置。每套驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)獨(dú)立的物理通道和統(tǒng)一的設(shè)備邏輯名稱(chēng)，實(shí)際分離的兩套驅(qū)動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息互備份提取，方便場(chǎng)景的斷點(diǎn)續(xù)接。設(shè)備互備份信息包括設(shè)備靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息。采樣點(diǎn)、設(shè)備運(yùn)行屬性（運(yùn)行分類(lèi)、現(xiàn)實(shí)分類(lèi)、地址），從屬區(qū)域等屬于靜態(tài)信息；動(dòng)態(tài)信息包括設(shè)備的位置、速度、狀態(tài)、命令、互鎖標(biāo)志。當(dāng)某一設(shè)備的主驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)問(wèn)題造成運(yùn)行停止，通過(guò)人機(jī)界面可以迅速切換到備用驅(qū)動(dòng)，設(shè)備數(shù)據(jù)信息同時(shí)傳遞到備用驅(qū)動(dòng)。操作人員接續(xù)啟動(dòng)當(dāng)前場(chǎng)景的設(shè)備，而不需做任何多余的更改，方便設(shè)備在電器驅(qū)動(dòng)故障情況下的快速接力運(yùn)行。

3.4 冗余核心控制器

采用硬冗余控制系統(tǒng)。通過(guò)雙CPU之間的雙光纖實(shí)現(xiàn)程序、數(shù)據(jù)和硬件組態(tài)的實(shí)時(shí)更新和備份。當(dāng)主CPU出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切到備用CPU接管控制權(quán)限進(jìn)行程序控制。能夠有效防止數(shù)據(jù)丟失以及避免停機(jī)，盡可能地降低舞臺(tái)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或意外停機(jī)的可能性。

同時(shí)，在核心控制器設(shè)置統(tǒng)一系統(tǒng)IP，系統(tǒng)IP是兩個(gè)控制器的公共設(shè)置端點(diǎn)，可以方便地切換控制臺(tái)人機(jī)界面的訪問(wèn)接口，減少通訊延時(shí)和判斷時(shí)間。

4先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段把舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備完美展現(xiàn)在全世界觀眾面前一直是設(shè)計(jì)上空設(shè)備控制系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，從重達(dá)3 t 的冰雪五環(huán)在冰立方中破冰而出、大滑板在空中的優(yōu)雅飄過(guò)，到創(chuàng)意無(wú)限的大雪花火炬，控制系統(tǒng)結(jié)合人機(jī)工程學(xué)理念，融合自適應(yīng)控制、有限元分析和模糊控制等先進(jìn)控制技術(shù)，結(jié)合高速實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線，很好地解決了控制過(guò)程中的多設(shè)備軸控聯(lián)動(dòng)耦合復(fù)雜、位置空間不確定、軌跡解析過(guò)程非線性強(qiáng)等技術(shù)難題，用智慧和實(shí)力完美地實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)演的意圖。

4.1 空中防搖穩(wěn)定技術(shù)

空中懸吊設(shè)備在水平移動(dòng)或是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)/停止過(guò)程中，由于受到自身加減速產(chǎn)生的力沖擊，從而造成鋼絲繩晃動(dòng)，影響設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定。為了消除鋼絲繩震蕩，根據(jù)繩長(zhǎng)的擺動(dòng)周期，采用開(kāi)環(huán)前饋控制降低干擾。通過(guò)在設(shè)備啟動(dòng)/停止過(guò)程中使用“多段加減速-勻速算法”和“降低加減速斜率”的方法，加入模糊控制計(jì)算“多段加減速-勻速權(quán)值”反向耦合擺動(dòng)周期克服擾動(dòng)，使設(shè)備在水平移動(dòng)或是旋轉(zhuǎn)中保持穩(wěn)定性。

當(dāng)開(kāi)幕式演出進(jìn)入高潮時(shí)，直徑約15 m、重約2.4 t大雪花承載著已成功點(diǎn)燃的火炬在鳥(niǎo)巢上空靈動(dòng)飄逸地邊旋轉(zhuǎn)邊上升舞臺(tái)控制系統(tǒng)，火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用的是旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定技術(shù)；在“致敬人民”場(chǎng)景中，當(dāng)演員在鳥(niǎo)巢中心場(chǎng)地進(jìn)行滑雪表演時(shí)，大滑板由兩臺(tái)威亞同步從南側(cè)牽引到北側(cè)，水平移動(dòng)距離160 m，水平移動(dòng)速度為1.7 m/s，平穩(wěn)完美地實(shí)現(xiàn)弧線運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用的是水平穩(wěn)定技術(shù)。大雪花升空并平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)見(jiàn)圖2。

圖2 火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)2.4 t大雪花平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)上升

4.2 同步快速跟隨技術(shù)

傳統(tǒng)的編組同步方式在組內(nèi)設(shè)備超過(guò)一定偏差值后就會(huì)保護(hù)停車(chē)，再次啟動(dòng)由于安全保護(hù)限制，需人工處理偏差值到合理設(shè)定范圍內(nèi)才能啟動(dòng)組內(nèi)同步設(shè)備。同時(shí)編組方式一般采用并行同步處理，多為虛擬主軸或是主從聯(lián)動(dòng)方式，組內(nèi)從屬軸偏差跟隨響應(yīng)不及時(shí)?？紤]到冬奧會(huì)開(kāi)閉幕式演出的多條威亞使用是軟性連接同步，設(shè)備故障復(fù)位和再次運(yùn)行間隔等待時(shí)間要求較短，演出吊裝為大負(fù)載表演道具（如南北橫索1，使用2臺(tái)威亞小車(chē)吊裝冰雪五環(huán)，滿(mǎn)載負(fù)荷3.2 t。南北橫索3使用四吊點(diǎn)威亞小車(chē)吊裝火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)和大雪花，滿(mǎn)載負(fù)荷6.6 t），所有提升/下降過(guò)程中道具均需保持水平，空中演出姿態(tài)要保持穩(wěn)定，同時(shí)超差故障后能快速恢復(fù)。為了實(shí)現(xiàn)以上要求，對(duì)傳統(tǒng)的編組同步采用如下措施進(jìn)行修正：

1）在編組同步程序內(nèi)部加入主從偏差時(shí)序記憶序列，在威亞運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)偏差值變換趨勢(shì)。在超過(guò)同步偏差再次啟動(dòng)威亞設(shè)備時(shí)，趨勢(shì)變小則繼續(xù)運(yùn)行，趨勢(shì)變大停止運(yùn)行。有效克服組內(nèi)超差故障處理需人工修正缺陷，加快了響應(yīng)時(shí)間。

2）在從屬設(shè)備中加入預(yù)先設(shè)置有加減速的虛擬追趕軸。根據(jù)啟動(dòng)時(shí)間點(diǎn)的主從偏差位置設(shè)置閾值，當(dāng)超過(guò)閾值后以當(dāng)前主從位置差為目標(biāo)位置啟動(dòng)虛擬追趕軸計(jì)算插補(bǔ)，疊加到從屬軸的速度發(fā)生器中，快速修正主從偏差，達(dá)到空中設(shè)備姿態(tài)快速校正，穩(wěn)定運(yùn)行。

同步吊點(diǎn)將冰雪五環(huán)從冰立方中穩(wěn)定提升見(jiàn)圖3。

圖3 冰雪五環(huán)依靠同步吊點(diǎn)從冰立方中破冰而出

4.3 動(dòng)態(tài)位置-速度優(yōu)化技術(shù)

采用優(yōu)先級(jí)管理機(jī)制，按照規(guī)定好的威亞設(shè)備空間尺寸、位置對(duì)控制過(guò)程各階段的順序進(jìn)行自動(dòng)判別和保護(hù)，啟動(dòng)威亞小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)和動(dòng)態(tài)空間位置監(jiān)測(cè)定時(shí)巡檢邏輯隨時(shí)跟蹤，及時(shí)將運(yùn)動(dòng)控制指令發(fā)送給調(diào)速定位驅(qū)動(dòng)單元，在內(nèi)部算法功能塊的統(tǒng)一識(shí)別下，在線及時(shí)修正目標(biāo)位置和設(shè)定速度改變運(yùn)行狀態(tài)，做到被控設(shè)備和表演場(chǎng)景要求的高度契合。

例如，在大雪花上升過(guò)程中，火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)保證提升位置的準(zhǔn)確和空中姿態(tài)的穩(wěn)定。特別是在大雪花從地面傾斜上升過(guò)程中，地面輔助提升機(jī)構(gòu)是勻速垂直運(yùn)動(dòng)，反映到大雪花提升的運(yùn)行軌跡是吊點(diǎn)可變的速度時(shí)變弧線運(yùn)動(dòng)，所以在控制程序內(nèi)部必須以火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)提升的速度和位置為依據(jù)，根據(jù)大雪花運(yùn)行弧度進(jìn)行分段線性化，確保安裝在大雪花上的提升鋼索和地面中央升降臺(tái)、大雪花輔助提升機(jī)構(gòu)動(dòng)作的一致性。如果負(fù)責(zé)提升大雪花的火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度過(guò)快，會(huì)拉斷電纜、氣管（為大雪花提供電源、氣源)，同時(shí)大雪花會(huì)出現(xiàn)傾斜觸地風(fēng)險(xiǎn)；如果火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)提升速度過(guò)慢，鋼絲繩、電纜、氣管會(huì)有明顯懸垂，影響表演效果。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整和算法更替，最終達(dá)到滿(mǎn)意效果。

4.4 鋼索柔性處理技術(shù)

鳥(niǎo)巢南北方向威亞的水平運(yùn)行距離160 m，鋼索懸垂度水平落差8 m。為了保證在鋼索運(yùn)行的設(shè)備空中姿態(tài)的一致，必須進(jìn)行鋼索垂直補(bǔ)償。根據(jù)鋼索南北距離和懸垂度的多組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析，建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)位置逆解和坐標(biāo)變換把鋼索的懸垂度轉(zhuǎn)化為鋼索上威亞小車(chē)提升補(bǔ)償高度，最后對(duì)威亞小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和提取，采用離散化處理轉(zhuǎn)化為NC控制邏輯輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

其中在“致敬人民”場(chǎng)景中，大滑板由兩臺(tái)威亞小車(chē)同步從南側(cè)牽引到北側(cè)展示弧線運(yùn)動(dòng)，垂直往復(fù)運(yùn)行60 m。運(yùn)行前半段為不斷向下的俯沖姿態(tài)，在后半段為不斷向上的仰起姿態(tài)，在大滑板運(yùn)行到冰雪五環(huán)下方時(shí)進(jìn)行空中姿態(tài)變換，演出道具為重心靠前的重300 kg人偶滑板模型。為了保證大滑板姿態(tài)的完整性、動(dòng)作的穩(wěn)定性和演出動(dòng)作的一致性，需要根據(jù)威亞小車(chē)在鋼索行走的水平位置和鋼索離散后的懸垂進(jìn)行小車(chē)提升的不斷修正，應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大滑板在空中弧線運(yùn)行。大滑板俯沖和仰起見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 大滑板保持固定傾斜角俯沖下降

圖5 大滑板保持固定傾斜角仰起上升

5結(jié)語(yǔ)

北京冬奧會(huì)上空設(shè)備控制系統(tǒng)除了切實(shí)保障機(jī)械控制安全性能外，在控制理論不斷發(fā)展的前提下，充分應(yīng)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線方面突破性的新技術(shù)，控制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越向人性化的方向發(fā)展，在使用上更注重人的能力和機(jī)械的潛力有效地配合，提高了管理和控制效率。北京冬奧會(huì)上空設(shè)備控制系統(tǒng)就是人、機(jī)完美結(jié)合的一次成功展現(xiàn)。

選自2022年第二期《演藝科技》劉基順，劉慶龍，李同進(jìn)，孫建鋒，周嬌《北京冬奧會(huì)上空舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的控制系統(tǒng)架構(gòu)及軟件應(yīng)用解析》。轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)注：演藝科技傳媒。更多詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱《演藝科技》。

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