舞台用多点伺服驱动的协同控制方法与流程

本发明涉及协同控制技术领域，特别是一种应用于舞台、幕帘、灯光照明灯系统中的协同控制方法。

背景技术：

现代舞台集声、光、电、led显示以及完成各种机械运动等功能于一体，因此现代舞台控制技术包含了液压、机械传动、电气、自动化等多方面的控制，传统意义上的舞台机械设备体系及其控制系统已不能满足人们以及社会对其的需求。

随着舞台系统的复杂程度越来越高，舞台系统的机械结构和电气控制趋于复杂化，要实现舞台效果的完美呈现，重点在于各执行机构的可靠性控制、实时性控制、可管理性控制以及容错性控制。但在现场传统舞台实际运行中，舞台设备高速运行且各执行机构之间相距较远时，各执行机构将会产生不同程度的位移偏差；另一方面，传统舞台不能满足组合多变的控制方式，当用户操作错误、各种通讯线的接口连接失败或者突然掉电时，传统的控制方法不能自动恢复目标位置且不能进行错误监控与清除，且当通讯出现故障时，传统的控制系统不能中断掉线驱动器正在执行的指令，从而造成安全隐患；加之，现今舞台对于实时性、稳定性、精度性的严苛要求，传统的控制方法只能对少数的设备完成控制要求，远远达不到社会的需求量。由于现场舞台对于不同区域的分时或同时控制的要求，传统的控制系统不能实现在同一控制系统下同时对不同舞台区域进行实时控制。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种功能完善、运行稳定的舞台协同控制方法，以提高舞台设备运行稳定性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

舞台用多点伺服驱动的协同控制方法，该协同控制方法基于舞台控制系统实现对舞台上各设备运动的协同控制；

所述舞台控制系统包括多个由独立伺服驱动器驱动的伺服电机以及一个plc控制器和一个监控调度pc，所述监控调度pc与plc控制器之间通过以太网进行数据通信，所述plc控制器与独立伺服驱动器之间以及相邻的独立伺服驱动器之间分别通过有线网络相互通信构成控制网络；

所述协同控制方法为，监控调度pc通过周期性时间驱动搜索以及对节点指令集中当前节点的相关条件判定后，通过以太网向plc控制器下发所述当前节点指令所包含的多个伺服运动指令，plc控制器以点对点、分组或广播的形式通过控制网络与伺服运动指令相关的独立伺服驱动器进行实时通讯，独立伺服驱动器通过伺服电机带动机械传动结构进一步控制舞台上各设备协同运动。

上述舞台用多点伺服驱动的协同控制方法，所述节点指令集是一个树状结构存储的、由多个节点以及所包含节点指令和相关判断条件而构成的集合，每个节点均标识有该节点在树状结构中的节点连接形式、该节点的节点指令以及执行该节点指令所必须满足的相关判断条件。

上述舞台用多点伺服驱动的协同控制方法，所述节点指令包含了一条或多条能够改变所述独立伺服驱动器运动状态的伺服运动指令；所述相关判断条件是基于时间、循环次数、电机位移、外部开关量状态以及上述条件相互之间的组合关系。

上述舞台用多点伺服驱动的协同控制方法，所述监控调度pc的周期性时间驱动是通过编程而设定的周期性定时器驱动；每次定时到达后，依据所保存的节点指令集中一个或若干当前节点是否满足相关判断条件，进而来决定是否执行当前节点中的节点指令，若满足对应节点的相关判断条件，则将当前节点向下一层子节点推进；若不满足对应节点的相关判断条件，则继续等待下次定时周期到达。

上述舞台用多点伺服驱动的协同控制方法，所述监控调度pc至少包含网络通讯功能模块、运动设定与状态监控模块、控制算法模块；所述网络通讯功能模块用于与所述独立伺服驱动器和plc控制器构成控制网络以实现实时通信；所述运动设定与状态监控模块用于实现系统参数、各个独立伺服驱动器参数、节点指令集的设置及状态监控；所述控制算法模块用于在周期性时间驱动模式下，依据已设定的节点指令集的当前节点相关判断条件进行判定并向下递推搜索。

上述舞台用多点伺服驱动的协同控制方法，所述控制网络设置有心跳监控机制，对于掉线失连且正在运行的伺服驱动指令立即丢弃并停止。

上述舞台用多点伺服驱动的协同控制方法，所述协同控制方法具体包括以下步骤：

1）根据舞台结构中各设备的运行状态建立由各伺服电机、伺服驱动器以及plc控制器相互通信构成的控制网络，并建立控制网络中plc控制器与监控调度pc的链接；

2）监控调度pc创建指令缓存和命令缓存，指令缓存中又分别建立“运行指令缓存”和“等待指令缓存”；

3）启动检测定时器，遍历根指令下的“运行指令缓存”队列；

4）判断根指令下的“运行指令缓存”中的运行指令是否运行完成，若运行指令完成，则指令的停止时间加1，若根指令下的“运行指令缓存”中的运行指令没有完成，则指令的运行时间加1，继续遍历根指令下的“运行指令缓存”队列；

5）当根指令下的“运行指令缓存”中的运行指令全部完成后，判断根指令下的“运行指令缓存”队列中是否有子节点，如有子节点继续向下运行子节点，直到各子节点运行完成；如无子节点则删除指令本身；

6）将根指令下的“运行指令缓存”内各指令的电机运动记录投入到命令缓存中；

7）根据触发条件判断并触发“等待指令缓存”中的指令；

8）“等待指令缓存”队列中满足触发条件的指令运行完成后，在命令缓存中查找子指令，并根据子指令触发条件分别投入“运行指令缓存”和“等待指令缓存”；

9）判断“运行指令缓存”队列和“等待指令缓存”队列是否为空，如不为空，则等待下一次定时器触发后重复步骤3）至步骤8）；如为空，则停止定时器，提示所有指令运行完毕。

上述舞台用多点伺服驱动的协同控制方法，所述队列中指令的运行方法为：

s1）监控调度pc发送控制数据包到plc控制器；所述数据包包含有触发设备轴伺服电机的使能信号、节点指令集的运行速度与运行位置；

s2）plc控制器接收到数据包后写入内存单元，并判断数据包中的伺服电机轴号是否正确，如正确，将使能写入信号，并反馈至监控调度pc，监控调度pc发送同步使能信号，并进行步骤s3；如有误，进行步骤s5；

s3）plc控制器接收到同步使能信号后，控制相应的伺服电机驱动器驱动伺服电机执行相应的指令；同时，伺服电机驱动器将伺服电机的实施状态信息经plc控制器反馈至监控调度pc；

s4）监控调度pc判断返回的信息是否有误，如无误，发送下一条指令集，如有误运行步骤s5；

s5）监控调度pc接收到反馈的错误信息后，发送终止命令，plc控制器接到停止使能信号，立即触发停止命令，伺服电机停止运转。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明结合数据库、计算机控制和伺服控制等技术，设计了良好的监控软件界面与驱动控制系统，既能在预设定时间、位置及输入情况下，保证舞台、帘幕、灯光照明等系统能够呈现出特定的形状或显示效果，又能在现场突然断电的情况下实现现场恢复功能，并且在节目运行中对各执行机构进行实时监控，若出现错误能及时反馈并处理，极大提高了舞台设备运行的稳定性。另外，本发明的应用，还实现了对多台伺服电机的定时、定位和定速的协同控制，不仅组合形式灵活多样，使得功能得到了极大完善，而且运行更加稳定。

附图说明

图1为本发明所述协同控制方法的原理图；

图2为本发明中驱动器闭环控制模块示意图；

图3为本发明中舞台通讯的结构示意图；

图4为本发明中节点指令集的结构示意图；

图5为本发明中运行指令与逻辑程序的流程图；

图6为本发明中运动设定与状态监控的流程图；

图7为本发明中运行指令控制算法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

一种舞台用多点伺服驱动的协同控制方法，该协同控制方法基于舞台控制系统、控制网络以及一种树状结构的、满足条件才执行的节点指令集，实现对舞台上各设备运动的协同控制。

舞台控制系统包括多个由独立伺服驱动器10驱动的伺服电机以及一个plc控制器20和一个监控调度pc30；监控调度pc与plc控制器之间通过以太网进行数据通信，所述plc控制器与独立伺服驱动器之间以及相邻的独立伺服驱动器之间分别通过有线网络相互通信构成控制网络，如图3所示。

每个独立伺服驱动器均具有独立的位置、速度、力矩闭环控制功能，如图2所示。独立伺服驱动器设置有网络接口，可设定通讯站号，用以区分相同网络下的不同节点号，还可以设定通讯传输速率，用以支持现场舞台不同通讯速率的要求，还可以设定通讯错误协定。独立伺服驱动器还设置有usb通讯接口，通过网络接口或者usb通讯接口接收相应的伺服运动指令、可以根据现场的通讯距离设置不同的通讯速率，并能够由监控调度pc30调用网络通讯传送伺服运动指令，从而完成单个伺服驱动器的定位位置、运动速度、转动力矩的精准闭环控制，以及对单个伺服电机驱动器的监控。

上述独立伺服驱动器通过联轴器、减速器等机械结构带动舞台上各个设备运行，从而实现相应的控制操作。

控制网络可以直接或通过以太网间接连接到监控调度pc30的网络接口，本发明中的控制网络内部采用canopen有线传输协议；plc控制器通过该网络实时对该网络下不同节点的伺服驱动器进行监控，也是通过该网络实时收发不同伺服驱动指令信息。另外，本发明的控制网络还设置了心跳监控机制，对于掉线失连且正在运行的伺服驱动指令立即丢弃并停止。

控制网络中还可设置主站，一个主站各自组成一个最多127节点的子网络，并把多个主站挂载到同一个plc控制器下面，从而组成一个较大规模的控制网络；在该网络下将独立伺服驱动器挂载到不同的节点下面，从而能够实现对该网络下面的独立伺服驱动器实现点对点、分组或广播的形式收发数据。也就是说，监控调度pc可以直接或间接经过网关而连入控制网络，并能够以点对点、分组或广播形式与多个独立伺服驱动器进行实时通讯。此种状态下，监控调度pc通过软件编程以节点指令集的形式通过plc控制器向主站收发伺服驱动指令，主站通过控制网络把伺服驱动指令下发给各独立伺服驱动器，独立伺服驱动器接收到相应的指令驱动伺服电机运转，伺服电机通过联轴器、减速器等机械传动结构带动舞台上各设备运转，从而实现运动控制命令；同时，伺服电机将实时的当前位置、当前速度、当前扭矩、当前状态、异常状态等信息传递给相应的独立伺服驱动器，独立伺服驱动器通过控制网络把该信息传递给主站，主站再通过plc控制器传递给监控pc，从而实现监控功能。

本发明所述的监控调度pc至少包含网络通讯功能模块、运动设定与状态监控模块、控制算法模块。

网络通讯功能模块用于与所述独立伺服驱动器和plc控制器构成控制网络以实现实时通信；包含自定义的modbus协议与canopen协议，监控调度pc向下层plc控制器发送数据，plc控制器接收到数据包，并对数据进行处理，然后将处理后回应数据反馈给监控调度pc，监控调度pc判断回应信息是否正确，实现了与控制网络中各独立伺服驱动器的实时通讯。

运动设定与状态监控模块用于实现系统参数、各个独立伺服驱动器参数、节点指令集的设置及状态监控。

控制算法模块用于在周期性时间驱动模式下，依据已设定的节点指令集的当前节点相关判断条件进行判定并向下递推搜索。

监控调度pc的软件界面上还优选包括使能连接、断开连接、设置原点、设置单台点动或多台点动、清零、报警清除、掉电保护、逻辑指令触发、设置限位点等控制端，以便单独对独立伺服电机驱动进行调试、复位、清零、报警清除、掉电保护、设置软限位等操作。更进一步地，监控调度pc的软件界面上实时显示伺服电机节点指令运行的位置，全部伺服电机的位置、速度、运行时间、力矩、加速度、减速度、报警信息，以便对全部的伺服电机进行实时监控。当出现异常时能实时显示，若是软件异常、通讯错误可以通过监控调度pc上的报警清除功能进行处理，若是硬件异常，需要人工处理。

本发明所述协同控制方法的原理如图1所示，其流程如图5所示，监控调度pc通过周期性时间驱动搜索以及对节点指令集中当前节点的相关条件判定后，通过以太网向plc控制器下发所述当前节点指令所包含的多个伺服运动指令，plc控制器以点对点、分组或广播的形式通过控制网络与伺服运动指令相关的独立伺服驱动器10进行实时通讯，独立伺服驱动器10通过伺服电机带动机械传动结构进一步控制舞台上各设备协同运动。

监控调度pc30的周期性时间驱动是通过编程而设定的周期性定时器驱动；每次定时到达后，依据所保存的节点指令集中一个或若干当前节点是否满足相关判断条件203，进而来决定是否执行当前节点中的节点指令202，若满足对应节点的相关判断条件，则将当前节点向下一层子节点推进；若不满足对应节点的相关判断条件，则继续等待下次定时周期到达。

上述节点指令集如图4所示，是一个树状结构存储的、由多个节点201以及所包含节点指令202和相关判断条件203而构成的集合，每个节点201均标识有该节点在树状结构中的节点连接形式、该节点的节点指令以及执行该节点指令所必须满足的相关判断条件。

所述节点指令包含了一条或多条能够改变所述独立伺服驱动器10运动状态的伺服运动指令；该伺服运动指令中包含了伺服驱动器的位置、速度、力矩、加速度、减速度、运行状态等信息。本发明所述的节点不仅是一种树状结构存储的，还包含了各父子节点之间相互嵌套的连接关系。所述相关判断条件203是基于时间、循环次数、电机位移、外部开关量状态以及上述条件相互之间的组合关系。执行节点指令必须满足的相关判断条件，可以是基于上一条指令开始时间、上一条指令结束时间、该节点的循环次数、该节点中某条伺服驱动指令中电机运动的实时位移、外部开关量输入的即时控制指令以及上述条件相互之间的组合关系等等。

本发明的监控调度pc上能够在所述树状结构的节点指令集中增加、删除、复制一个节点或其全部节点。当在节点指令集中增加节点时，可以自由的选择增加节点的连接方式，可以在软限位允许的范围内自由的添加伺服驱动器的位置、速度、力矩、加速度、减速度等信息。在节点指令集中删除节点时，可以删除单个子节点，也可以删除根指令节点即根节点连同下面的子节点全部删除。在节点指令集中复制节点时，既可以复制单个节点也可以是多个节点，其中单个节点包含了伺服驱动器运行的各种信息，而多个节点既包含了伺服电机运行的各种信息，也包含了各节点之间的触发关系。另外，监控调度pc还可以通过不同的快捷键设置分别或同时连续地执行多个不同的树状结构节点指令集。

下面结合图7对本发明所述协同控制方法进行详细描述，该系统控制方法具体包括以下步骤：

1）根据舞台结构中各设备的运行状态建立由各伺服电机、伺服驱动器以及plc控制器相互通信构成的控制网络，并建立控制网络中plc控制器与监控调度pc的链接。

2）监控调度pc创建指令缓存和命令缓存，指令缓存中又分别建立“运行指令缓存”和“等待指令缓存”；命令缓存用于存放根指令伺服电机的运动记录，根指令运行完毕后，查找根指令下面挂载的子指令，根据子指令触发的条件分别存放到运行指令缓存或等待指令缓存中。

3）启动检测定时器，遍历根指令下的“运行指令缓存”队列。

4）判断根指令下的“运行指令缓存”中的运行指令是否运行完成，若运行指令完成，则指令的停止时间加1，若根指令下的“运行指令缓存”中的运行指令没有完成，则指令的运行时间加1，继续遍历根指令下的“运行指令缓存”队列。

5）当根指令下的“运行指令缓存”中的运行指令全部完成后，判断根指令下的“运行指令缓存”队列中是否有子节点，如有子节点继续向下运行子节点，直到各子节点运行完成；如无子节点则删除指令本身。

6）将根指令下的“运行指令缓存”内各指令的电机运动记录投入到命令缓存中。

7）根据触发条件判断并触发“等待指令缓存”中的指令。

8）“等待指令缓存”队列中满足触发条件的指令运行完成后，在命令缓存中查找子指令，并根据子指令触发条件分别投入“运行指令缓存”和“等待指令缓存”。

9）判断“运行指令缓存”队列和“等待指令缓存”队列是否为空，如不为空，则等待下一次定时器触发后重复步骤3）至步骤8）；如为空，则停止定时器，提示所有指令运行完毕。

上述队列中指令的运行方法的流程如图6所示，具体如下。

s1）监控调度pc发送控制数据包到plc控制器；所述数据包包含有触发设备轴伺服电机的使能信号、节点指令集的运行速度与运行位置；

s2）plc控制器接收到数据包后写入内存单元，并判断数据包中的伺服电机轴号是否正确，如正确，将使能写入信号，并反馈至监控调度pc，监控调度pc发送同步使能信号，并进行步骤s3；如有误，进行步骤s5；

s3）plc控制器接收到同步使能信号后，控制相应的伺服电机驱动器驱动伺服电机执行相应的指令；同时，伺服电机驱动器将伺服电机的实施状态信息经plc控制器反馈至监控调度pc；

s4）监控调度pc判断返回的信息是否有误，如无误，发送下一条指令集，如有误运行步骤s5；

s5）监控调度pc接收到反馈的错误信息后，发送终止命令，plc控制器接到停止使能信号，立即触发停止命令，伺服电机停止运转。

当然在指令运行过程中，还可以通过设定监控调度pc软件界面上的快捷方式控制定时器的停止或恢复，从而实现系统整体协同运动的暂停或继续运行；同时，也可以由监控调度pc通过控制网络以点对点、分组或广播形式对应的发送某一个、某一组或全部伺服驱动器的伺服运动指令，从而实现某一个、某一组或全部伺服驱动器的点动运行与定位。

采用本发明所述的协同控制方法对舞台上的多个设备进行控制，可以实现如下功能。

1）网络多节点同步控制功能：舞台控制系统中要求多个伺服电机协同完成一个动作，控制器在同一时刻接受所有控制命令，最后通过同步信号实现多个伺服电机的同步运转，从而实现网络多节点的控制功能。

2）异常掉电保护功能：舞台控制系统在出现异常掉电情况时，再次上电后独立伺服驱动器重新回到零点，选中需要恢复原点的伺服电机，启动自动回原点指令，通过特殊的节点指令集，让所选的伺服电机回到断电前记录的原点位置。

（3）系统配置功能：依据场内设备的实际情况，通过监控调度pc直接修改相关的参数配置，包括电机id、电机名称、舞台位置上下限位、舞台速度上下限位、舞台加减速上下限位、脉冲转换系数、默认速度、加速度、减速度等，所有参数只在系统启动时统一配置一次。

（4）显示及监控报警功能：监控调度pc的监控界面中能够为操作人员提供实时而清楚的设备运行状态信息，并对每一个伺服驱动器中的错误报警信息进行显示，还能够对错误报警进行自动或手动处理。监控界面显示的内容包括当前节点指令需要的所有参数以及当前时间点所有设备的运行起始时间、运行速度、目标位置、停止时间和运行状态等参数。同时在节点指令集实际运行时，还可设置实时跟踪标志用来指示程序运行到了哪个节点指令。

（5）网络节点的实时监控及断线失连状态下的立即停止功能：控制器plc对不同网络下的节点进行实时监控连接状态，若出现通讯故障，监控调度pc对该组下的伺服节点发停止命令，对于断线失连的伺服节点启用节点保护功能，对于断线失连的电机立刻停止正在执行的伺服指令，从而解决了在失连状态下不受监控调度pc控制所带来的安全性问题。

（6）灵活编排曲目功能：监控调度pc中提供基于时间、位置、循环或是三种任意组合的触发方式以及不同节点指令集下同时运动的功能。在时间触发方式中，可以基于上一条指令的开始或完成时间，该时间由编程内部的定时器计时；在位置触方式中，是基于该节点中某条伺服驱动指令中电机的实时位移；在循环触发方式中，可以基于循环次数，也可以是无限循环。

本监控调度pc可以提供速度控制、时间控制、位置控制、复归控制模式。在速度控制模式中，可以实现单台或多台伺服电机的点动；在时间控制模式中，可以基于内部的编程时钟，实现相同时间走不同位移的功能；在位置控制模式下，可以在软限位允许的范围内，自由的自定义位移、速度、加速度、减速度，从而实现一台或多台伺服电机移动或同动；在复归模式下，可以实现一台或多台伺服驱动器的清零功能或是在异常掉电情况下的原点自动恢复功能。

由现场舞台对于不同区域的分时或同时控制的要求，本监控调度pc可以通过不同节点指令集下关联不同的电机，通过不同的快捷键实现在同一监控调度pc下的分时或同时控制的要求。

（7）电机动作动态分组功能：在监控调度pc中，操作人员可以根据实际需求对伺服电机进行随意组合分组，从而在不同节点指令中组合不同的电机，实现舞台控制多变性的控制要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。