画卷收放、展开及其长距离柔性钢丝绳收放同步控制方法 【技术领域】
本发明涉及一种表演场地的大型滚筒式展示装置收放、展开方法，特别涉及画卷收放、展开及其长距离柔性钢丝绳收放同步控制方法。
背景技术
目前的展示装置多为平面展示装置，通常由LED显示装置、液晶显示装置、等离子显示装置组成。
这些装置可以放置在地面、墙壁或者比赛场地的周围，由于这些显示装置基本上是平面型的，因此展示或显示效果过于呆板，不够生动。
大型体育场所需要进行举办一些大型盛会，比如全运会、亚运会和奥运会，因此需要一种能够生动展现深刻意境的展示方法。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种利用长距离柔性钢丝绳收放画卷的方法。
本发明的另一个目的是提供一种利用长距离柔性钢丝绳展开画卷的方法。
本发明的再一个目的是提供一种长距离柔性钢丝绳收放同步控制方法。
根据本发明第一方面，所提供的利用长距离柔性钢丝绳收放画卷的方法包括以下步骤：
通过用长距离柔性钢丝绳收放第一小车和第二小车，来驱动由第一小车承载的第一画轴和由第二小车承载的第二画轴；
所述第一小车和第二小车分别由连接两条长距离柔性钢丝绳的两套驱动电机牵引，当一套驱动电机收绳时，另一套驱动电机随动放绳。
根据本发明第二方面，在位于基坑内升降台中心位置处放置表面具有LED显示元件的第一画轴和第二画轴，并且在升降台表面铺设LED平面显 示装置；在升降台上方加盖可打开和闭合的第一车台盖板和第二车台盖板；以及在所述第一车台盖板和第二车台盖板上铺设轨道，并且所述轨道上具有沿不同方向滑动的第一小车和第二小车。本发明的利用长距离柔性钢丝绳展开画卷的方法包括以下步骤：
a)提升装置将所述第一画轴和所述第二画轴提升到地面位置并使其与轨道上的第一小车和第二小车实现连接；
b)利用所述长距离柔性钢丝绳收放所述第一小车和第二小车，其中每个小车分别由连接两条长距离柔性钢丝绳的两套驱动电机牵引，当一套驱动电机收绳时，另一套驱动电机随动放绳；
c)在所述第一小车和第二小车在分别沿着相反方向同步滑动的同时，打开第一画轴和第二画轴的LED显示元件以及LED平面显示装置，使其按照预定程序相互配合地显示画卷展开场景。
上述的画卷提升和小车与画卷连接的步骤a)包括：
通过驱动第一车台盖板和第二车台盖板分别沿相反方向移动，打开第一车台盖板和第二车台盖板；
利用驱动系统抬升所述升降台，直至所述升降台上升到与第一车台盖板和第二车台盖板对接的高度；
当所述升降台对接第一车台盖板和第二车台盖板对接后，所述驱动轨道上的第一小车和第二小车分别快速到达位于升降台中心位置的所述第一画轴和所述第二画轴位置，并与其快速连接。
其中所述两套驱动电机为主从电机配置，主电机通过电压矢量闭环控制实现高精度位置控制，以及从电机通过位置跟随实现与主电机的位置同步。
所述位置跟随包括：从电机根据主电机角位移与从电机的角位移之差，执行其转速调整的位置跟随。
所述位置跟随还包括：从电机根据主电机与从电机的转矩差来纠正从电机的跟随偏差。
其中当所述转矩差超出偏差检测窗口时，计算从电机的跟随纠偏量，以便根据所述跟随纠偏量动态地调整从电机的跟随偏差；以及
当所述转矩变化未超出偏差检测窗口时，不纠正从电机的跟随偏差。
根据本发明第三方面，本发明的长距离柔性钢丝绳收放同步控制方法包括以下步骤：
承载每个画轴的小车由两套驱动电机通过长距离柔性钢丝绳牵引，当一套驱动电机收绳时，另一套驱动电机随动放钢丝绳；
其中，所述两套驱动电机为主从电机配置，其中主电机通过电压矢量闭环控制实现高精度位置控制，以及从电机通过位置跟随实现与主电机的位置同步。
其中根据主电机和从电机的转矩差变化，计算从电机的跟随纠偏量，以便根据所述跟随纠偏量动态地调整从电机的跟随偏差。
其中当所述转矩变化差值超出偏差检测窗口时，计算从电机跟随主电机的纠偏量，以便纠正所述从电机的跟随偏差；以及
当所述转矩变化未超出偏差检测窗口时，不纠正所述从电机的跟随偏差。
通过上述技术方案，本发明可以再长距离双向钢丝绳系统驱动条件下，实现画轴高精度定位、高速稳定性、运动均匀性。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
【附图说明】
图1a至图1f是显示本发明的画卷设备展开过程的示意图；
图2是显示本发明的画卷展开前的俯视图；
图3是显示本发明的画卷展开后的俯视图；
图4是本发明的从电机通过位置跟随实现与主电机的位置同步的原理图；
图5是本发明的动态误差窗口调整曲线图。
【具体实施方式】
图1a至图1f显示了本发明的适合于大型场所的画卷展现过程。其中用于画卷展现的设施包括：
放置在位于基坑内的升降台51的中心位置处的表面具有LED显示元件的第一画轴41和第二画轴42，所述升降台51的上表面铺设用来显示画卷画面的LED平面显示装置5，参见图1b；
加盖在升降台5上方的，可打开和闭合的第一车台盖板11和第二车台盖板12，如图1a所示；以及
铺设在所述第一车台盖板11和第二车台盖板12上的轨道4(参见图2和图3)，其每道轨道4上分别有第一小车21和第二小车22，参见图1a。
本发明利用长距离柔性钢丝绳收放画卷，具体方法如下：
通过用长距离柔性钢丝绳(图中未显示)收放第一小车21和第二小车22，来驱动由第一小车21承载的第一画轴41和由第二小车22承载的第二画轴42，由于第一画轴41和第二画轴42分别由第一小车21和第二小车22驱动，因此第一画轴41和第二画轴42实际上也是由长距离柔性钢丝绳收放；
所述第一小车21和第二小车22分别由连接两条长距离柔性钢丝绳的两套驱动电机牵引，当一套驱动电机收绳时，另一套驱动电机随动放绳。
本发明还利用长距离柔性钢丝绳来展开画卷41和42，其展开方法如下：
a)提升装置将所述第一画轴41和所述第二画轴42提升到地面位置并使其与轨道4上的第一小车21和第二小车22实现连接；
b)利用所述长距离柔性钢丝绳收放所述第一小车21和第二小车22，其中每个小车分别由连接两条长距离柔性钢丝绳的两套驱动电机牵引，当一套驱动电机收绳时，另一套驱动电机随动放绳；
c)在所述第一小车21和第二小车22在分别沿着相反方向同步滑动的同时，打开第一画轴41和第二画轴42的LED显示元件以及LED平面显示装置5，使其按照预定程序相互配合地显示画卷展开场景，参见图1e。
上述的画卷提升和小车与画卷连接的步骤a)包括：
参见图1a，通过驱动第一车台盖板11和第二车台盖板12分别向相反方向移动，打开第一车台盖板11和第二车台盖板12；
参见图1b，利用驱动系统抬升所述升降台51，直至所述升降台51上升到与第一车台盖板11和第二车台盖板12对接的高度；
参见图1c和图1d，当所述升降台51对接第一车台盖板11和第二车台盖板12对接后，驱动装置(未显示)驱动每道轨道4上的第一小车21和第二小车22分别快速到达位于升降台中心位置的所述第一画轴41和所述第二画轴42位置，并与第一画轴41和第二画轴42快速连接。
第一画轴41和所述第二画轴42两端分别设有一个伸缩架(未显示)，当第一小车21和第二小车22分别到达画轴位置时，画轴两端的伸缩架通过设置在画轴中的电动装置(未显示)向外伸出，使其插入小车的相应的锁槽中，从而实现画轴与小车的连接，然后两个画卷分别经由驱动电机牵引的小车2122在轨道4上移动。
也就是说，小车21和小车22分别承载画轴41和42。小车包括位于两个轨道上的两个车轮，车轮可以通过车轴连接在一起。当然，两个车轴也可以不通车轴连接。每个小车设有钢丝绳张紧调节装置、单向旋转止推凸轮机构及防脱机构(未显示)。
图2显示了画卷41和42为展开前的状况。图3显示了画卷41和42展开后的状况。
从图2和图3中可以看出，在体育场1中设有双轨道4，双轨道之中铺设有充当画面的平面显示器5，两个画轴41和42通过下面的小车在双轨道4上移动。
每个车轮由两套钢丝绳驱动电机(未显示)牵引，当一套钢丝绳驱动电机牵引收绳(钢丝绳)时，另一套钢丝绳驱动电机随动放绳(钢丝绳)。钢丝绳一端连接驱动电机，另一端连接小车。
由于画轴轨道小车行程长达70～80米，画轴的机械传动方式以两组相连的水平钢丝绳牵引为驱动形式，由此引起钢丝绳弹性过大，导致驱动小车定位精度要求(全程误差不得超过10mm)难以保证。此外，水平方向上受钢丝绳本身重力影响，在两个支撑点距离较远时，如果钢丝绳张紧力不够，就会产生一定幅度的振荡。当这种振荡幅度超过一定限度时，极易造成收绳的钢丝绳卷筒出现乱绳或者钢丝绳跳槽的情况，影响画轴展示动作的顺利进行。
为此，驱动系统采用钢丝绳机械牵引同步与钢丝绳收放控制同步相结合的方式，即采用两个卷扬机(或电机)同步驱动同一根画轴，一台卷扬机负责收绳牵引，另一台卷扬机负责放绳张拉，使画轴运行时刻处于受控状态。
为此，本发明的两套钢丝绳电机(或卷扬机)为主从电机设置，其中主电机通过电压矢量闭环控制实现高精度位置控制，以及从电机通过位置跟随实现与主电机的位置同步。
图4显示了本发明的从电机的位置跟随的原理。本发明的主电机和从电机都是带有角度编码器和变频器的电机，角度编码器根据电机转轴的角度进行编码，所以编码器的输出具有电机的转速和角位移信息，变频器输出可变脉宽的电机电源，由于具有编码器和变频器的驱动电机属于已知技术，因此对其细节进行说明。
本发明的位置跟随包括：从电机根据主电机角位移与从电机的角位移之差，执行其转速调整的位置跟随。也就是，图4中的同步控制装置根据主电机角位移和从电机角位移的差值，输出一个改变从电机变频器频率(或输出脉宽)的控制信号。计算机通过对主电机和从电机的角度编码器的角度编码信号的处理，得到主电机角位移和从电机角位移。
虽然电机位置同步驱动方式在设备运行过程中能够较好的实现理论上的放绳长度与收绳长度相同。但是经过仔细分析和验证，严格的位置同步不能很好的满足画轴驱动的特点，其原因如下：
首先，画轴特有的双向收放同步牵引驱动方式，其连接并非完全刚性的，钢丝绳张紧力不足时，会在垂直方向上有较大形变，产生振荡。特别是当收绳卷筒减速时，电机输出力矩减小，钢丝绳张力小，容易产生乱绳的情况。如果采用严格的位置同步控制方式，此时的收绳电机并不会主动对这一受力变化进行补偿。
其次，严格的位置同步控制方式不能根据机械设备传动特性的变化主动调整控制参数。一方面，由于两套钢丝绳传动机构存在细微差异(减速装置、钢丝绳弹性等)，长期运行会形成一定的偏差，而钢丝绳收放距离同步依靠电机编码器输出脉冲数实时计算实现的。由于画轴运行距离长，往返次数多，在反复多次使用之后，会造成“钢丝绳越跑越松”现象。这一 微小偏差会改变小车两侧钢丝绳受力状态，达到一定程度后，会引发卷筒乱绳情况，严重影响系统长期运行的可靠性，降低控制精度。因此，传统方法的位置同步，很难实现系统的长期可靠性。
为此，本发明在位置跟随中还特别增加了纠偏步骤，以解决上述问题，该步骤包括：从电机根据主电机与从电机的转矩差来纠正从电机的跟随偏差。
具体实施方式如图4所示，首先将主电机编码器脉冲增量和从电机编码器脉冲增量进行比较，计算主电机与从电机的转矩差；判定转矩差是否超出了阈值；如果转矩差超出阈值，则计算纠偏量，并将纠偏量(数据)送入同步控制器，以便同步控制器根据该纠偏量纠正从电机的跟随偏差；如果转矩差未超出阈值，则不进行纠偏，即不向同步控制器输出纠偏量(数据)。
要实现对钢丝绳张紧力的实时调整，重点在于确定纠偏(补偿)条件和纠偏(补偿)量。
在主从电机理想同步的条件下，钢丝绳的张紧力会一直维持在稳定的水平上，那么两个电机输出的转矩差应该在一个较小的范围内波动。当钢丝绳张紧力不足时，而两个电机还保持位置同步时，那么收绳电机输出力矩不会受钢丝绳张紧力的影响，而放绳电机会因为张紧力减小而增大输出力矩。这时二者的输出转矩差值会变小。因此，钢丝绳张紧力的变化会直接体现到两个电机的输出转矩差值上来。
并非所有的转矩差值波动，都是由钢丝绳张力变化引起的，因此在确定补偿条件时，还应当考虑画轴运行工况，如轨道小车跨过两节轨道时产生的冲击力造成的影响。
因此本发明的纠偏条件是：当收绳电机的转矩介于稳定输出状态幅值之间时，计算主从电机输出转矩差值。当计算出的输出转矩差值，大于钢丝绳系统最低要求张紧力状态下的转矩差时，需要进行钢丝绳张紧力纠偏(补偿)。
一般来说，当从电机为收绳状态时，位置纠偏量为负，增大主从机的位置偏差，加快从机收绳速度；当从电机为放绳状态时，位置纠偏量为正， 减小主从电机的位置偏差，放慢从电机的放绳速度。
本发明按照偏差检测窗口方式确定是否进行纠偏，即：当所述转矩差超出偏差检测窗口时，计算从电机跟随主电机的纠偏量，以便纠正从电机的跟随偏差；当所述转矩变化未超出偏差检测窗口时，不纠正从电机的跟随偏差。
合适的位置纠偏量非常重要，过大的纠偏量会导致钢丝绳越用越紧，而太小的纠偏量会使得位置纠偏过程很频繁，达不到调节钢丝绳张力的理想效果。通过实际测定和分析，本发明把转矩差值大于25％作为进行位置纠偏的启动条件，实际运行结果表明，这一设定与实际吻合程度较好。每次位置纠偏量采用下列公式里用平滑曲线计算得出，位置纠偏采样时间确定为20ms。
为此本发明利用动态偏差窗口设置值δ，确定位置纠偏量。图5显示了本发明的动态误差窗口调整曲线。在图5中，T主为主电机转矩，T从为从电机转矩，δ
0为初始状态下偏差窗口设置值，为动态偏差窗口设置值。θ为阈值，当转矩差λ大于阈值时，动态调整误差窗口为：当λ≥θ时δ＝δ
0×e
‑λ，其中转矩差λ＝|T
主‑T
从|/T
主。
通过上述说明，可以明白，本发明的画卷长距离柔性钢丝绳收放同步控制方法包括以下步骤：
承载每个画轴的小车由两套钢丝绳驱动电机牵引，当一套钢丝绳驱动电机牵引收绳时，另一套钢丝绳驱动电机随动放绳。
其中，所述两套钢丝绳电机为主从电机设置，其中主电机通过电压矢量闭环控制实现高精度位置控制，以及从电机通过位置跟随实现与主电机的位置同步。
其中，根据主电机和从电机的转矩差变化，动态地调整从电机跟随主电机的跟随偏差。
其中当所述转矩变化差值超出偏差检测窗口时，计算从电机跟随主电机的纠偏量，以便纠正所述从电机的跟随偏差；以及
当所述转矩变化未超出偏差检测窗口时，不纠正所述从电机的跟随偏差。
本发明的上述方法已经成功应用北京奥运会开幕式的历史画卷表演，使其就像真实的画卷展开一样。
下面以北京奥运会为实施例，对本发明有关细节进行详细。
贯穿整个北京奥运会开幕式的画轴装置共有两套，水平运行速度1.2m/s，可对开147m。既可单独运行，也可同步同方向或对开移动。每套画轴直径2m，长22m，表面安装异型LED显示设备，重约2900kg。画轴驱动采用两套钢丝绳卷扬机双向收放同步牵引驱动技术。画轴单向驱动功率9.2KW，机械驱动系统与电气检测装置全部“一对一”同功率备份。
画轴可随升降台升降，驱动系统设置在基坑两侧台仓，两道导轨在沿南北方向平行布置，镶嵌在舞台面内。其中运行的驱动小车设有钢丝绳张紧调节装置、单向旋转止推凸轮机构及防脱机构，画轴两端设有自锁型伸缩架与轨道驱动小车连接。在开幕式演出当中，画轴往复运动12次，有5场节目当中与图像咬合产生特效，累计水平移动496m，往复运动定位精度10mm。
由于单个画轴的行程75m，为了精确的咬合图像，往复定位精度与可靠性要求很高。画轴的机械设计方案采用的是双向钢丝绳收放系统，即每个画轴有两套钢丝绳卷扬机牵引，每台卷扬机负责一个方向的牵引，当一方牵引收绳，则另一方随动放绳，往复同理。每台卷扬机9.2KW，卷筒引出两根钢丝绳，通过一系列换向支撑滑轮最终分别固定在画轴端部的轨道小车上，小车与画轴轴体相连，驱动小车，实现画轴平移。
根据演出的要求，为了给观众以惊奇，画轴事先要隐藏在车台盖板下的升降台上，而驱动系统均设在舞台表面上。在演出过程中车台盖板打开，画轴随升降台缓缓上升至舞台面，当画轴由升降台升起后，位于轨道内的小车必须快速移动，准确定位至画轴的连接挂钩处，再由小车拖动画轴与LED视频输出同步打开。该系统在开幕式正式演出时从盖板打开、画轴升起、小车到位、挂钩到画轴打开，全套动作只有24秒钟时间，并且实现了对控制系统的控制精度和可靠性，即：
1)轨道小车(即画轴的驱动)定位精度要求非常高，必须保证长达75米的行程内，定位误差不得超过10mm；
2)由于行程长，要达到导演要求的时间限制，还必须实现轨道小车高速运行，同时保证高速运行的稳定性；
3)根据文艺演出效果要求，画轴运行过程中还必须保证与视频输出同步，这就要求保障画轴的整个运行速度的均匀性。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。