CN104950917A - 一种位置自校准的升降舞台控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位置自校准的升降舞台控制系统及控制方法。它包括主控制系统，电机执行单元，升降台，位置状态生成系统，实时状态数据库等；其中主控制系统包含位置控制信号处理单元和PLC控制系统；每个升降台上设有一个位置传感器和转速传感器，传感器通过信号放大器与PLC控制系统和实时状态数据库连接；实时状态数据库与位置状态生成系统连接；位置状态生成系统与主控制系统中的位置控制信号处理单元连接；在位置状态生成系统上设有状态控制触摸屏。本发明通过采用上述技术，实时存储升降台当前位置等状态信息，实现自动生成升降台实时位置状态运动曲线，并精确控制升降台位置运动，具有位置自我校准控制功能且改造成本低特点。

Description

一种位置自校准的升降舞台控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于舞台控制技术领域，尤其是涉及一种舞台运动状态可预设、位置状态可自我校准控制的位置自校准的升降舞台控制系统及控制方法。

背景技术

现有的各类升降舞台通常采用PLC集中控制电机来实现舞台运行，在演出期间，采用设定PC程序或者演出后场工人手动来控制升降舞台的运动状态，在实现方法上凭个人经验操作，造成控制的准确性差，在升降舞台位置状态实现上无法达到预设目标，也无法实现一些艺术表现力较高的舞台动作；在舞台实时状态控制上，传统升降台只单向实现主控系统对升降舞台的运动控制，虽然部分舞台具有实时状态数据的检测与管理，但缺乏对舞台实时状态数据的运用和再反馈控制，不能实现运动目标在线控制功能，无法满足现有多彩演出艺术需求。

中国专利申请公开号：103191569A，申请公开日2013年7月10日，公开了一种舞台监控系统。压力感测装置用于感测处于其上的物体的压力，在所感测到的压力从低于第一预定压力值上升到高于第二预定压力值时向所述控制单元发送包括反馈信号、识别号以及发送反馈信号的时间的组合信号；控制单元在从所述多个压力感测装置之一接收到包括反馈信号、识别号以及发送反馈信号的时间的组合信号时，将组合信号保存在所述数据库单元中；数据库单元用于存储从所述控制单元接收到的组合信号，并且存储了与所述多个压力感测装置的识别号相关联的所述多个压力感测装置在舞台上的位置信息；所述控制单元用于从所述数据库单元提取组合信号、以及位置信息，在所述显示单元显示舞台上的人员的当前。该发明部分具有舞台实时状态数据的检测和管理功能，并进行了显示，但缺乏对实时状态数据的再反馈控制功能。

中国专利申请公开号：104155907A，申请公开日2014年11月19日，公开一种演唱会互动升降舞台，包括一个或多个连接互联网的可升降舞台控制器和观众使用的网络控制终端，观看演唱会的观众能够通过网络控制终端按一人一票制或付费等条件选择踩、顶操作，可升降舞台控制器根据顶、踩统计数据控制舞台的升降；网络控制终端包括手机、无线控制终端或点歌系统。本发明只是实现通过终端控制信号单向实现升降舞台运动的功能，而缺乏舞台实时状态监测和反馈，无法真正实现升降台精确运动位置控制。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有升降舞台中实时运动位置状态监测和反馈缺乏、无法精确运动位置控制的不足，提供了一种升降舞台运动位置实时状态可监测、运动目标可在线控制的位置自校准的升降舞台控制系统及控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种位置自校准的升降舞台控制系统，包括主控制系统，若干电机执行单元，与电机执行单元数量相同的升降台，位置状态生成系统，实时状态数据库等；其中主控制系统包含位置控制信号处理单元和PLC控制系统；每个升降台上设有一个位置传感器和转速传感器，分别通过信号放大器与PLC控制系统和实时状态数据库连接；实时状态数据库与位置状态生成系统连接；位置状态生成系统与主控制系统中的位置控制信号处理单元连接；在位置状态生成系统上设有状态控制触摸屏。

本发明中，设于每个升降台中的位置传感器和转速传感器可实时监测升降台运行速度和位置状态信号，所有信号经过信号放大器为实时状态数据库构建提供实时数据，并为PLC控制系统提供反馈控制信号。

所述中的位置状态生成系统，具有预设运动下升降舞台位置状态生成功能、实时运动下升降舞台位置状态生成功能，可根据舞美设计需求，通过绘制运动曲线，自动生成升降舞台预设位置状态控制信号；可根据实际升降台运动状态，自动生成升降舞台实时位置状态控制信号；以上两信号均通过导线直接输入主控系统中的位置控制信号处理单元，并通过PLC控制系统和电机执行单元，实现升降舞台目标位置运动控制。

所述中的实时状态数据库在位置状态生成系统中，可实时将升降台当前位置、速度等状态信息存储，并通过位置状态生成系统，自动生成升降台实时位置状态运动曲线。

所述中的位置控制信号处理单元，为本发明中的核心控制单元，设有比较器和ARM控制器电路；运用一种可自动校准控制的升降台位置状态控制算法，通过预设位置信号和实时位置信号输入差值比较，并选用PID控制算法处理，实现升降舞台的精确位置控制，达到预设舞台运动艺术表现需求。

状态控制触摸屏可对预算位置状态进行手动输入，并显示升降台各类位置状态运动曲线，显示升降台实时状态情况。

本发明中作为创新点的位置状态生成系统、实时状态数据库以及位置控制信号处理单元均为ARM嵌入式系统构成，硬件构成简单，可在现有升降舞台的基础上进行改造，无需增加过多的额外成本；可以实现舞台在预设位置和实时位置状态下的精确定位控制，保证舞台运行中的最佳艺术表现需求。

作为优选，所述位置状态生成系统和位置控制信号处理单元均分别由ARM10控制器构成，转速传感器和位置传感器通过信号放大器与PLC主控制器和实时状态数据库实现电路电连接，

ARM控制芯片具有体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定的特点。

作为优选，所述升降台为1至32个。

作为优选，舞台预算位置状态可通过各类PAD、手机等状态控制触摸屏系统手动或者自动导入生成。

一种位置自校正控制的升降舞台控制方法，包括如下步骤：

（6-1）根据表演需求，由状态控制触摸屏提供升降台运动轨迹信息，通过位置状态生成系统，自动生成预设位置信号输入至主控系统中的位置信号控制单元，并通过PLC控制系统控制电机，实现升降台向预设目标位置运动。

（6-2）当升降台在运动开始后，位置传感器和速度传感器检测当前升降台的运动速度和位置信息，其中速度传感信息通过信号放大电路反馈到PLC控制系统，以控制升降台以合理速度运动；位置传感信息通过信号放大电路反馈给实时状态数据库，并输送给位置状态生成系统。

（6-3）当前位置状态通过位置状态生成系统形成实时位置状态信号，作为负反馈与预设的位置状态信号进行差值运算，形成差值信号                                                ，作为ARM主控制器输入信号。

（6-4）差值信号在ARM主控制器中根据升降台实际运动需求进行相应控制算法计算，并采用PID控制算法计算出控制信号，其中为比例控制系数，为积分控制系数，为微分控制系数。将控制信号输出给PLC控制系统，再通过电机执行单位，控制升降台准确位置升降运动。

（6-5）当升降台实际运动位置值超过或者低于预设位置值，系统自动通过检测位置传感信号反馈至位置控制信号单元进行计算，输出控制信号给PLC控制系统，并通过电机执行单位，控制升降台运动至预设位置点。

（6-6）主控系统设有升降台的标准升降范围0-H，当预设位置值或者升降台运动高度超过升降台升降范围时，主控系统将通过电机执行单元控制升降台停止运动。

作为优选，所述标准升降范围0-H为0至3.0米。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1）本发明通过构建一个实时状态数据库，实时存储升降台当前位置、速度等状态信息，为实现自动生成升降台实时运动状态曲线绘制提供保障；

2）本发明通过采用位置状态生成系统，它具有预设运动下升降舞台位置状态生成功能、实时运动下升降舞台位置状态生成功能，能根据舞美设计需求，通过绘制运动曲线，自动生成升降舞台预设位置状态控制信号；能根据实际升降台运动状态，自动生成升降舞台实时位置状态控制信号，为舞台多艺术运动实现提供技术保障。

3）本发能能根据预设位置信号与实时位置信号的比较，直接输入主控制系统中的位置控制信号处理单元，并通过PLC控制系统和电机执行单元达到精确控制升降台位置运动，实现升降台位置自我校准控制功能，其结构简单、控制方便，改造成本低。

附图说明

图1是本发明的升降舞台控制系统原理框图；

图2是本发明的位置控制信号处理单元结构框图；

图3是本发明的位置状态生成系统结构框图；

图4是本发明的PID控制单元结构框图。

图中：1-状态控制触摸屏，2-位置状态生成系统，201-预设位置状态信号模块， 202-ARM控制器Ⅱ，202a-实时运行状态曲线模块，202b-舞美设计动作预设曲线模块，202c-升降台位置状态自动生成控制模块，203-实时位置状态控制信号模块，3-实时状态数据库，4-主控制系统，401-位置控制信号处理单元，401a-比较器，401b- ARM控制器Ⅰ，401c-控制信号输出模块，402-PLC控制系统，5-电机执行单元，6-升降台，601-位置传感器，602-转速传感器，7-信号放大器。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

如图1所示，本发明的一种位置自校准的升降舞台控制系统，包括主控制系统4，若干个电机执行单元5，与电机执行单元5数量相同的升降台6，位置状态生成系统2、实时状态数据库3、信号放大器7，位置状态生成系统2上设有状态控制触摸屏1；主控制系统4包含位置控制信号处理单元401和PLC控制系统402，每个升降台6上设有一个位置传感器601和转速传感器602，两个传感器通过信号放大器7与PLC控制系统402和实时状态数据库3连接；实时状态数据库3与位置状态生成系统2连接；位置状态生成系统2与主控制系统4中的位置控制信号处理单元401连接；每个升降台6中的位置传感器601和转速传感器602能实时监测升降台6的运行速度信号和位置状态信号，所有信号经过信号放大器7为实时状态数据库3构建提供实时数据，并为PLC控制系统402提供反馈控制信号。

如图2所示，所述的位置控制信号处理单元401包括比较器401a、ARM控制器Ⅰ401b和控制信号输出模块401c；控制信号输出模块401c及比较器401a均与ARM控制器Ⅰ401b连接；预设位置状态信号模块201输入的预设位置信号和实时位置状态信号模块203输入的实时位置信号经比较器401a进行差值比较，再由ARM控制器Ⅰ401b中的PID控制单元处理，处理后由控制信号输出模块401c输出给PLC控制系统402，实现升降舞台的精确位置控制。

如图3所示，所述的位置状态生成系统2包括连接的ARM控制器Ⅱ202、实时位置状态信号模块203及预设位置状态信号模块201，所述的ARM控制器Ⅱ202包括实时运行状态曲线模块202a、舞美设计动作预设曲线模块202b及具有实时运动下升降舞台位置状态生成功能的升降台位置状态自动生成控制模块202c，该位置状态生成系统2具有预设运动下升降舞台位置状态生成功能、实时运动下升降舞台位置状态生成功能，能根据舞美设计需求，通过绘制运动曲线，自动生成升降舞台预设位置状态控制信号；能根据实际升降台运动状态，自动生成升降舞台实时位置状态控制信号；以上两信号均通过导线直接输入主控制系统4中的位置控制信号处理单元401，并通过PLC控制系统402和电机执行单元5，实现升降舞台目标位置运动控制；

如图2和图4所示，ARM控制器Ⅰ401b中的PID控制单元包括比例环节、积分环节和微分环节，差值信号通过PID控制单元进行相应控制算法计算出控制信号；

如图所示，状态控制触摸屏1将预设位置信号输入位置状态生成系统2的舞美设计动作预设曲线模块202b输入端，根据舞美设计需求，通过绘制运动曲线，舞美设计动作预设曲线模块202b输出端将该曲线信号传送给升降台位置状态自动生成控制模块202c,自动生成升降舞台预设位置状态,该状态信号进入预设位置状态信号模块201输入端，由预设位置状态信号模块201输出端将该预设位置信号送达位置控制信号处理单元401输入端，预设位置信号进入比较器401a与实时位置状态状态信号模块203输出值进行比较，将比较后差值信号传至ARM控制器Ⅰ401b,由ARM控制器Ⅰ401b内的PID控制单元计算后将数据传送给控制信号输出模块401c，由控制信号输出模块401c输出端将信号传给电机执行单元5，由电机执行单元5控制升降台6运动，在升降台6运动时，其位置传感器601和转速传感器602实时监测升降台6的运行速度信号和位置状态信号，运行速度信号和位置状态信号与信号放大器7连接，通过信号放大器7将两信号分别传送给PLC控制系统402和实时状态数据库3，为实时状态数据库3构建提供实时数据，并为PLC控制系统402提供反馈控制信号，实时状态数据库3将实时位置信号传输给位置状态生成系统2的实时运行状态曲线模块202a，将该状态信号传送给升降台位置状态自动生成控制模块202c, 自动生成实施运动下升降舞台位置状态，该运行的状态信号传送到实时位置状态信号模块203输入端，由实时位置状态信号模块203输出端将该实时位置信号送达至位置控制信号处理单元401中比较器401a中，进一步与预设位置状态信号模块201输出进行比较，所得差值信号由ARM控制器Ⅰ401b中的PID控制单元再次计算处理后，由控制信号输出模块401c发送给PLC控制系统402处理，通过PLC控制系统402和电机执行单元5，实现升降舞台目标精确位置的自我校准运动控制。

本发明的位置状态生成系统2具有预设运动下升降舞台位置状态生成功能、实时运动下升降舞台位置状态生成功能，能根据舞美设计需求，通过绘制运动曲线，自动生成升降舞台预设位置状态控制信号；能根据实际升降台运动状态，自动生成升降舞台实时位置状态控制信号；以上两信号均通过导线直接输入主控制系统4中的位置控制信号处理单元401，并通过PLC控制系统402和电机执行单元5，实现升降舞台目标位置运动控制。

本发明的实时状态数据库3在位置状态生成系统2中，能实时将升降台6当前位置、速度等状态信息存储，并通过位置状态生成系统2，自动生成升降台实时位置状态运动曲线，位置状态生成系统2、实时状态数据库3以及位置控制信号处理单元401均为ARM嵌入式系统构成；位置状态生成系统2和位置控制信号处理单元401两者均包括ARM控制器，转速传感器602和位置传感器601通过信号放大器7与PLC控制系统402和实时状态数据库3实现电路电连接。

本发明的ARM控制器Ⅰ401b和ARM控制器Ⅱ202支持Thumb/ARM双指令集，能兼容8位/16位器件，升降台6个数优选为1至32个，舞台预算位置状态可通过各类PAD、手机等状态控制触摸屏系统手动或者自动导入生成。

如图所示，本发明升降舞台控制系统的控制方法，包括如下步骤：

1）根据表演需求，由状态控制触摸屏1提供升降台运动轨迹信息，通过位置状态生成系统2自动生成预设位置信号输入至主控系统4中的位置信号控制处理单元401，并通过PLC控制系统402控制电机，实现升降台6向预设目标位置运动；

2）当升降台6在运动开始后，位置传感器601和速度传感器602检测当前升降台6的运动速度信息和位置信息，速度信息通过信号放大器7反馈到PLC控制系统402，以控制升降台6以合理速度运动；位置信息通过信号放大器7反馈给实时状态数据库3，并输送给位置状态生成系统2；

3）步骤2）中的当前位置状态通过位置状态生成系统2形成实时位置状态信号，作为负反馈与预设的位置状态信号进行差值运算，形成差值信号，作为ARM控制器输入信号；

4）步骤3）的差值信号在ARM控制器Ⅰ401b中根据升降台6实际运动需求进行相应控制算法计算，并采用PID控制算法计算出控制信号，其中K _P 为比例控制系数，K _I为积分控制系数，K _D 为微分控制系数,将控制信号输出给PLC控制系统402，再通过电机执行单元5，控制升降台6准确位置升降运动；

5）当升降台6实际运动位置值超过或者低于预设位置值，系统自动通过检测实时位置传感信号反馈至位置状态生成系统2，经步骤3)、4)进行工作，实现升降台6运动至预设位置点；

6）主控制系统4上设有升降台6的标准升降范围0-H，即0至3.0米，当预设位置值或者升降台运动高度超过升降台升降范围时，系统自动通过检测实时位置传感器601信号经过信号放大器7反馈至PLC控制系统402，主控制器4通过电机执行单元5控制升降台6停止运动。

Claims (10)

1.一种位置自校准的升降舞台控制系统，包括主控制系统（4），若干个电机执行单元（5），与电机执行单元（5）数量相同的升降台（6），位置状态生成系统（2），实时状态数据库（3）；其特征在于主控制系统（4）包含位置控制信号处理单元（401）和PLC控制系统（402）；每个升降台（6）上设有一个位置传感器（601）和转速传感器（602），两个传感器通过信号放大器（7）与PLC控制系统（402）和实时状态数据库（3）连接；实时状态数据库（3）与位置状态生成系统（2）连接；位置状态生成系统（2）与主控制系统（4）中的位置控制信号处理单元（401）连接；在位置状态生成系统（2）上设有状态控制触摸屏（1），每个升降台（6）中的位置传感器（601）和转速传感器（602）能实时监测升降台（6）的运行速度信号和位置状态信号，所有信号经过信号放大器（7）为实时状态数据库（3）构建提供实时数据，并为PLC控制系统（402）提供反馈控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种位置自校准的升降舞台控制系统，其特征在于实时状态数据库（3）在位置状态生成系统（2）中，能实时将升降台（6）当前位置、速度等状态信息存储，并通过位置状态生成系统（2），自动生成升降台实时位置状态运动曲线。

3.根据权利要求1所述的一种位置自校准的升降舞台控制系统，其特征在于位置状态生成系统（2）包括连接的ARM控制器Ⅱ（202）、实时位置状态信号模块（203）及预设位置状态信号模块（201），所述的ARM控制器Ⅱ（202）包括实时运行状态曲线模块（202a）、舞美设计动作预设曲线模块（202b）及具有实时运动下升降舞台位置状态生成功能的升降台位置状态自动生成控制模块（202c），位置状态生成系统（2）具有预设运动下升降舞台位置状态生成功能、实时运动下升降舞台位置状态生成功能，能根据舞美设计需求，通过绘制运动曲线，自动生成升降舞台预设位置状态控制信号；能根据实际升降台运动状态，自动生成升降舞台实时位置状态控制信号；以上两信号均通过导线直接输入主控制系统（4）中的位置控制信号处理单元（401），并通过PLC控制系统（402）和电机执行单元（5），实现升降舞台目标位置运动控制。

4.根据权利要求3所述的一种位置自校准的升降舞台控制系统，其特征在于位置控制信号处理单元（401）包括比较器（401a）、ARM控制器Ⅰ（401b）和控制信号输出模块（401c）；控制信号输出模块（401c）及比较器（401a）与ARM控制器Ⅰ（401b）连接；通过预设位置状态信号模块（201）输入的预设位置信号和实时位置状态信号模块（203）输入的实时位置状态信号经比较器（401a）进行差值比较，再由ARM控制器Ⅰ（401b）中的PID控制单元处理，处理后由控制信号输出模块（401c）输出给PLC控制系统（402），实现升降舞台的精确位置控制。

5.根据权利要求3所述的一种位置自校准的升降舞台控制系统，其特征在于位置状态生成系统（2）、实时状态数据库（3）以及位置控制信号处理单元（401）均为ARM嵌入式系统构成。

6.根据权利要求4所述的一种位置自校准的升降舞台控制系统，其特征在于位置状态生成系统（2）和位置控制信号处理单元（401）两者均包括ARM控制器，转速传感器（602）和位置传感器（601）两个传感器均通过信号放大器（7）与PLC控制系统（402）和实时状态数据库（3）实现电路电连接。

7.根据权利要求4所述的一种位置自校准的升降舞台控制系统，其特征在于所述ARM控制器Ⅰ（401b）和ARM控制器Ⅱ（202）支持Thumb/ARM双指令集，能兼容8位/16位器件。

8.根据权利要求1所述的一种位置自校准的升降舞台控制系统，其特征在于所述升降台（6）为1至32个。

9.一种位置自校准的升降舞台控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1）根据表演需求，由状态控制触摸屏（1）提供升降台运动轨迹信息，通过位置状态生成系统（2）自动生成预设位置信号输入至主控系统（4）中的位置信号控制处理单元（401），并通过PLC控制系统（402）控制电机，实现升降台（6）向预设目标位置运动；

2）当升降台（6）在运动开始后，位置传感器（601）和速度传感器（602）检测当前升降台（6）的运动速度信息和位置信息，速度信息通过信号放大器（7）反馈到PLC控制系统（402），以控制升降台（6）以合理速度运动；位置信息通过信号放大器（7）反馈给实时状态数据库（3），并输送给位置状态生成系统（2）；

3）步骤2）中的当前位置状态通过位置状态生成系统（2）形成实时位置状态信号，作为负反馈与预设的位置状态信号进行差值运算，形成差值信号                                                ，作为ARM控制器输入信号；

4）步骤3）的差值信号在ARM控制器Ⅰ（401b）中根据升降台（6）实际运动需求进行相应控制算法计算，并采用PID控制算法计算出控制信号，其中K _P 为比例控制系数，K _I 为积分控制系数，K _D 为微分控制系数,将控制信号输出给PLC控制系统(402)，再通过电机执行单元（5），控制升降台（6）准确位置升降运动；

5）当升降台（6）实际运动位置值超过或者低于预设位置值，系统自动通过检测实时位置传感信号反馈至位置状态生成系统（2），经步骤3)、4)进行工作，实现升降台（6）运动至预设位置点；

6）主控制系统（4）上设有升降台（6）的标准升降范围0-H，当预设位置值或者升降台运动高度超过升降台升降范围时，系统自动通过检测实时位置传感器（601）信号经过信号放大器（7）反馈至PLC控制系统(402)，主控制器4通过电机执行单元（5）控制升降台（6）停止运动。

10.根据权利要求9所述的一种位置自校准的升降舞台控制系统的控制方法，其特征在于所述标准升降范围为0至3.0米。