舞台灯光控制系统设计

TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY

毕业设计

题目：舞台灯光控制系统设计

姓名：

学号：

专业班级：

指导教师： ____

日期： 2017.6.14

电子信息工程学院

太原科技大学毕业设计（论文）任务书

学院（直属系）：电子信息工程学院时间：2017年3月1日

说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。

目录

摘要..................................................................................................................................................... I ABSTRACT ....................................................................................................................................... II 第1章绪论 (1)

1.1引言 (1)

1.2国内外研究现状 (1)

1.3研究该课题的目的和内容 (2)

1.4文章结构 (2)

第2章系统功能需求分析和设计方案 (4)

2.1系统的功能需求分析 (4)

2.2控制方案的选择 (5)

2.2.1继电器控制的特点 (5)

2.2.2 PLC控制的特点 (6)

2.3系统建模 (6)

2.4控制升降舞台的电机的调速方式 (8)

2.4.1变频调速的控制方法 (8)

2.4.2变频调速的方式 (9)

2.5升降舞台的控制方法 (11)

2.5.1两种同步控制方式的比较 (11)

2.6系统的输入输出分析 (12)

第3章硬件设计 (14)

3.1系统整体概述 (14)

3.2 控制器的选择 (15)

3.3舞台灯的选型 (16)

3.4变频器的选择 (17)

3.5舞台灯光的I/O 地址分配表 (17)

3.6舞台灯光控制系统电气原理图 (19)

第4章软件设计 (24)

4.1 step7介绍 (24)

4.2程序流程图 (24)

4.3程序设计 (26)

4.4 PID控制的设计 (29)

4.4.1PID参数整定 (31)

第5章系统测试 (32)

5.1测试的目的 (32)

5.2彩灯部分的仿真 (32)

5.2.1仿真软件的选择 (32)

5.2.2仿真过程 (32)

5.2.3仿真结果 (35)

5.3升降舞台的仿真 (36)

5.3.1仿真软件的选择 (36)

5.3.2 仿真结果 (36)

第6章结论 (39)

致谢 (40)

参考文献 (41)

附录 (42)

摘要

为了解决解决过去简单机械式的舞台灯光控制方式的效率低和效果差的问题和升降舞台无法同步升降而导致演出事故时有发生的问题。本文设计了一种基于西门子s7-200的舞台灯光控制系统。本次设计中，针对舞台灯数量较多，且闪烁效果多变的特点。结合PLC 控制的优点，通过PLC的多种程序指令实现对舞台上28盏灯亮灭的控制。通过对时间继电器的控制来实现不同的闪烁效果。通过S7-200Sim2.0仿真证明采用PLC控制能够稳定控制舞台灯光有规律的亮灭，达到了预期的设计目的。其次，针对升降舞台同步控制系统大惯性、非线性、时变性等特点，结合常规PID控制的优点，提出了PID控制算法用于升降舞台系统的同步控制。通过MATLAB仿真证明采用PID控制算法能达到系统同步性、快速性、稳定性的要求。

关键词：舞台灯光，PLC控制，同步升降

ABSTRACT

In order to solve the issue that the way of simple mechanical stage lighting control mode is low efficiency and poor effect and platform lift cannot be synchronized lifting so that cause stage accident happened from time to tome. This graduation project is about a stage lighting control system based on Siemens s7-200. In this design, the number of stage lamps is large, and the characteristics of the flicker are varied. Combined with the advantages of PLC control, the control of 28 lights on stage is realized through PLC. Different flicker effects are achieved by controlling the time relay. Through the s7-200sim2.0 simulation, it is proved that PLC control can control the lighting of stage stably, and achieve the desired design goal. Secondly, in view of the lifting stage synchronization control system of big inertia, nonlinear and time-varying characteristics, combined with the advantages of conventional PID control, PID control algorithm is proposed for elevator stage of synchronous control system. MATLAB simulation shows that the PID control algorithm can meet the requirements of system synchronization, speed and stability.

Key words: stage lighting，PLC control，synchronous lift

第1章绪论

1.1引言

随着科学技术的不断发展以及人们审美水平的不断上升。在现代生活中，彩灯作为一种装饰可以用在很多场合。它不但可以增强美感还可以通过选择彩灯颜色以及控制彩灯的亮暗频率来烘托出特定的氛围。随着科技的发展，PLC技术在国内外控制领域中异军突起，在实际生活中的应用越来越广泛。在这个发展的过程中，人们不再仅仅满足于系统功能的多样性，而是更多的要实现系统的自动化与智能化。这样不但可以提高效率，还可以使人类从繁冗的工作中得以解脱。使得人们把更多的精力放在产品研发上。同时也提高了产品的质量，减少了系统出错的几率。本论文设计了一个舞台灯光控制系统，它多用于宴会厅，酒吧等场所。系统采用PLC控制的方法，最终实现了一定的控制效果。

1.2国内外研究现状

在工业自动化控制领域，PLC始终都占有一席之地，为许许多多的自动化系统提供了可靠稳定的控制。它可操作性强，不但可以使得很多复杂的控制变得简易，而且还可以提供快捷的控制。但是目前看来，PLC还必须要面对其他新的技术所带来的挑战与冲击。所以PLC目前依然需要不断的技术革新来满足当下大的市场环境。

舞台灯光是根据舞台艺术演出的法则和特定的表演需求而设计的。其目的在于配合各种表演艺术来营造烘托出相应的氛围。随着人们生活水平的提高，对于一些娱乐产业中类似宴会厅歌剧院的场所的要求越来越高。从运用方面来说，我国在舞台灯光的美观设计上的技术已经非常成熟，只是在舞台灯光系统的实际控制方面稍有欠缺。

伴随着科学技术的不断进步，在研究人员的不断努力下，一大批高效节能的照明灯陆续问世。从最初的白炽灯到现在的各式各样的节能灯，无一不为我们展现出科技的进步。相比之下，新型的照明灯具比以往的照明灯更加的环保、节能和高效。除此之外，照明效果也有了质的提升。在安全方面，这些灯大都配置了红外反射膜，这样可以减少大量的热辐射从而延长了照明灯具的使用寿命也大大增加了演艺人员在演出时的安全系数。

在国际潮流和科技的推动下，舞台灯光正朝着多元化的方向快速发展。在原有的的高效、节能、安全、便携等优点的基础上，舞台灯光正在朝着功能多样性和种类多样性的方

向发展。同时随着自动化技术的飞速发展，舞台灯光系统的自动化程度也日益提高。

在升降舞台的研发方面，我国也已经付出了很多年的努力，技术也日趋成熟。但是如何更大程度的提高系统的安全性依然是一个无法完全解决的难题。由于升降舞台的控制的不严谨性，演出事故也是时有发生。例如旋转舞台的失控，导致在演出结束时演员无法正面对观众。还有，由于多块升降舞台的的不同步性，导致在某一平面时多块升降台无法处于同一水平面，从而引发演员摔倒或者坠落的演出事故。因此，实现舞台的同步控制就显得尤为重要了。

1.3研究该课题的目的和内容

本系统设计了一个自动化的舞台灯光控制系统，可以用于酒吧或者宴会厅的闪烁灯。所谓自动化就是指不需要人过多的干预就能够自动的配合舞台氛围或者场景的需要来达到控制一些灯的亮暗以及它们的闪烁频率的目的。本次设计通过PLC的控制，使舞台灯光的亮暗闪烁更加自动化和多样化。我首先选择了PLC的型号，我选取了西门子S7-200系列的CPU226可编程控制器。然后进行了输入和输出的分析。在进行完这些准备工作后，我开始对舞台灯进行一定的空间布置。我一共选取了28盏彩灯，其中有4盏彩灯为旋转彩灯，由四台电机带动旋转。剩余的24盏是固定彩灯。我将24盏彩灯均匀分布在3个椭圆形光道上，每个光道由大到小依次嵌套，并且每个光道上都安装8盏彩灯。其中最外侧和最内侧的光道上的灯为闪烁灯，中间光道的灯为常亮灯，保证舞台最基本的照明。最后就是绘制电气原理图和编程了。绘制原理图我使用到了AUTO CAD2014这一软件。在绘制系统的I/O 表时，考虑到所选用的CPU输出点不够，所以我增加了三个拓展模块来满足我的设计要求。本系统还带有舞台升降的部分以及还带有风扇泡泡机和烟雾机。在升降舞台部分包括两块独立的升降台，为了安全起见，在起降时应当达到同步起降的效果。在需要时，按下相应的开关即可。

1.4文章结构

本文分为六章。第1章为文章的绪论，主要介绍课题研究的背景以及国内外的现状。第2章为课题的设计方案，主要介绍了系统控制方案的选择、舞台灯光的工艺要求以及舞台升降舞台的同步控制方法，还有控制升降舞台的电机的调速方法。第3章是系统整体的硬件设计，对PLC的型号选择、CPU的型号的选择、舞台灯的选型进行了一定的概述。最

后本章还给出了系统的电气原理图和I/O分配表。第4章是软件设计部分，主要包括对step7软件的介绍、程序流程图和对部分模块的程序的解释说明还有系统的建模和PID控制设计部分。第5章为系统测试，包括两部分。第一部分介绍了介绍了仿真软件。第二部分对仿真结果做了一定的解释。第6章为本文的结论。

第2章系统功能需求分析和设计方案

本章节主要介绍了舞台灯光控制系统的设计方案。主要包括舞台灯光的空间布局和其工艺要求。为了安全，还增加了扩声系统的配电要求。最后介绍了升降舞台部分的设计思路以及控制方法。

2.1系统的功能需求分析

舞台灯光的设计宗旨是配合舞台表演的需要来营造出一种艺术氛围，给观众带来美的享受。本文中，舞台灯光的空间布置要科学实用。既要美观，满足演出需求，又要避免照明死区。各种灯光的亮灭可以根据需求灵活组合。在需要时还控制舞台升降、开启烟雾机和风扇泡泡机来配合灯光营造表演氛围。

1.顶光系统设计配置需求

本研究方案一共控制24盏闪烁灯，24盏灯均匀分布在三个椭圆形光道上。每个光道由8 盏灯组成。中间光道的8盏灯依次为L1-L8，设定为常亮灯，作为舞台的主要光源。内光道由L9-L16组成，外光道由L17-L24构成，设定为闪烁灯，闪烁频率为0.5秒。投射方向多变，可根据需求刻画人物和突出表演效果。如图2.1为闪烁灯的空间布置图。

图2.1闪烁灯的空间布局图

2.旋转灯光的设计配置需求

舞台正上方的前后左右四个位置分别安装一个旋转彩灯。每个旋转彩灯分别由一台电

机带动。由于旋转彩灯的所需功率较小，所以这里选择YS-7134型号的电机。通过对电机的转速进行控制来控制旋转彩灯的转速。四个电机由一台变频器拖动。这样可以保证四个旋转彩灯的同步性，以达到美观的效果。

3.灯光换色器设计配置需求

部分灯安装换色器，根据表演的需要给灯换以不同的，烘托表演氛围，增加舞台表演的多样性。

4.升降舞台的设计配置需求

升降舞台的整个行程为舞台平面下2m到舞台平面上1m。整个升降舞台由两个单独的平行升降台构成，如图 2.2所示。两块升降台分别通过两台电机来拖动。这里电机选择Y180M-2型三相异步电机，该型号电机效率高、节能好、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。电机主轴通过减速器与柔性齿轮条的结合，把电机的旋转运动变为舞台的上升与下降。

图2.2升降舞台俯视图

5.音响系统供电配置需求

灯光和音响是舞台表演的两大重要组成部分。对于舞台表演艺术来说，二者同等重要。所以为了安全和演出效果不受干扰，现对音响扩声系统的配电提出以下要求：

⑴音响扩声系统的配电与舞台灯光的配电完全分开，并且要有稳压处理。

⑵在变压器部分，音响扩声系统和舞台灯光系统也应当独立使用。

⑶扩声系统供电容量AC220V/10KV A，有条件的话，最好二路供电，主、备自动切换。

⑷为了防止电磁干扰，电力管线与音响管线应尽量交叉放置，若平行则必须保距离持50厘米以上的。

2.2控制方案的选择

2.2.1继电器控制的特点

如今继电器已经应用到国内生产的方方面面，在一些小型系统的控制上，继电器控制因

为其控制方式单一，所以更加的容易实现。但是这也是随之带来的一些问题。继电器控制是

通过硬件接线的方式来实现的。当控制系统较大或者系统的输出较多时，继电器控制的接线

就会非常复杂，占用的资源也较多。当系统形成后，很难对系统的功能进行调整。系统的可

扩展性受到很大的限制。同时，由于系统的触点和连线较多，所以给后期对系统的维护和维

修都带来了极大的不便。

2.2.2 PLC 控制的特点

PLC 即为可编程逻辑控制器的简称。PLC 控制具备以下优点1、功能强大，实用性高。2、

稳定性好，抗干扰能力强。3、系统易于调试操作。4、编程方法简单5、系统易于维护与维

修。6、占用空间小，能耗低。PLC 的弊端是PLC 的体系较为闭塞与独立，当用户选择了

一种PLC 后，必须选择相应的控制规则，学习相应的语言。

本控制系统输出点较多，如果使用继电器控制则浪费成本并且在多个输出同时工作的

情况下，控制过程较为繁冗，还会产生大量的热量造成安全隐患。并且在改变灯光的控制

规律时PLC 控制更加方便。所以我选择PLC 控制。

2.3系统建模

异步电机数学模型的建立：

异步电机的电磁转矩为：

2212122211121122122211221)

()(mp ])()[()(mpU L L S R SR R S U L L R R S R T N +++=++=ωωωωω）（ (2.1) 式中：

m ——相数，一般取m=3；

p ——电机极对数；

s ——转差率；

、

——定子的相电压、定子的角频率；

、——定子每相电阻、转子每相电阻；

、——定子每相漏感、转子每相漏感；

异步电机在正常工作的情况下，其临界滑差率一般较大，即转差率S 小。所以有

12?R S

R ，)(?2112L L S R +ω即为： S R PU S R S R PU T N 212122122

1f 23)(f 23ππ== （2.2） 将1p n n 1-=S 带入式（2.2）得 ）1

p 2121n n n 1(f 23-≈R PU T π （2.3） 式中：

1n 、p n ——同步转速、实际转速r/min ；

电机在调速过程中，1U 与1f 的比例关系基本恒定，得到const f 11

=U ，1r 2

11f 23K R PU =π为变频调速增益，则 ）1p 11r n n n 1(-

=U K T （2.4） 其中P

11f 60n =,则： ）

1p 11r n f 60p

n 1(-=U K T （2.5) 根据电动机铭牌上标明的各个额定参数：功率N P ，电压N U ，转速N n ，可计算出 60

n 2N N N N

N P P T πω=; 将结果带入式（2.3），可推导出未知数2R : N N

N N S T PU R f 2322π= (2.6) 进而可得1r K 的值。

由电机机械运动方程：

dt

dn dt dn 375-2n G L J GD T T == （2.7） 式中：

L T ——工作机械负载转矩，N.m ；

2GD ——电动机及负载转动惯量，kg.2m ；

J G ——转动惯量，kg.2m

将式（2.5）带入（2.6）得：

d t

d n -f 60p

n 1(1p 11r G L J T U K =-） （2.8） 式2.16经拉式变换得：

）（）（）（s n f 60s 1r 1r N

N G P U K S J U K += （2.9） 得到电机传递函数近似为：

()N

N P

U K JGS K S G f 60s u s n 1r 1r +==）（）（ （2.10） 2.4控制升降舞台的电机的调速方式

2.4.1变频调速的控制方法

在本文中，升降舞台通过电机来带动，所以要想控制舞台的同步升降，只要控制了电

机转速的同步性就可以控制升降舞台的同步性。控制电机的转速就涉及到电机的调速。变

频调速是常用的电机调速的方式。概括来说，变频调速是通过改变电源频率来调整电动机

转速的连续平滑调速方法，改变电机电源来改变其转速。 在变频调速领域，异步电机在调

速时保持恒定的转差功率，其效率高、动态性能好的优点使其占有不可替代的地位，更有

着不可比拟的优势。该方式能够从根本上入手，对电机施行控制，其控制思想是根据系统

的稳态方程的变换研究得来的，由电机学理论知识得知：

首先定义转差率 s 为：

1

1n s n n -= （2.11） 由式(2.11)经代数变换得： ）

（s -1n n 1= （2.12） 由于 p

f 6011=n （2.13） 将式(2.13)带入式(2.14)，则有异步电机转速公式：

)1(p

f 60n 1s -=

（2.14） 式中：

1n ——同步转速，r/min ； n ——机械转速；

1f ——定子电源频率，Hz ；

P ——电机的极对数；

S ——转差率。

由公式(2.14)可知，要使电机的转速发生改变，可通过以下三种参数的调整来实现：电

源频率、极对数、转差率。通常情况下，极对数和转差率会保持不变，因此只能靠改变供

电电源的频率1f ，来使1n 发生相应变化，进而实现电机转速的调整。

2.4.2变频调速的方式

由电机学可知： m 1111f 44.4φN K N E = （2.15）

式中：

1E ——定子每相绕组感应电动势；

1N ——定子绕组的每相串联匝数；

1N K ——基波绕组的系数；

m φ——每极气隙的磁通量；

忽略定子阻抗压降，得到：m 11111f 44.4φN K N E U =≈ （2.16） 由(2.6)看出，如果电压1U 保持不变，那么随着1f 与气隙的磁通量m φ 成反比关系，即1f 增大则m φ变小，若1f 变小则m φ增大。

异步电动机的转矩表达式如下：

22m ?φCOS I C M M = （2.17） 式中：

M C ——异步电机转矩系数；

2I ——转子绕组电流；

2?——转子绕组功率角；

可见，如果m φ减小，则电机的输出转矩M 也会减小，最终使电机的效率变低，同时，电动机的最大转矩也受到影响，严重时会导致电机堵转；所以在大多数情况下会选择恒压频比控制。

在电机调速的时候，一般情况下应尽量将每极磁通量m φ控制在系统规定的数值上下。假如磁通量m φ很低，则意味着电机铁心存在很大的浪费，没有资源的合理有效应用；但假若一味提高磁通量，那么铁心会饱和，甚至电机会因为绕组过热而被烧坏。直流电动机有独立的励磁系统，所以要保持磁通恒定主要以补偿电枢反应的方式来实现。不同的是，异步电机中的磁通是由定子和转子磁动势共同合成，所以要想保持磁通恒定就没那么容易了。

由公式(2.5)可知，想要保证气隙磁通量m φ恒定，就要使电源频率1f 从额定值1f N 慢慢降低的过程中，调节感应电动势1E 的大小：

const f 11=E （2.18）

但是，由于感应电动势的调节比较困难，所以当电动势处于较大的值时，定子压降可以忽略，此时，故：

11E U ≈

const f 11 U （2.19）

以上即为恒压频比控制。

2.5升降舞台的控制方法

升降舞台通过电机来带动。一般的升降舞台的升降速度大约为1m/S.对电机启动加速时间进行设置，来控制电机的加速时间，进而控制舞台的上升时的加速时间。在舞台停止时，还应当设置减速点，当舞台上升到减速点位置时，舞台开始减速，到达停止点时（即限位开关），舞台停止上升。这里加速时间设置为电机启动后，速度在0.5s 内达到1000r/min 然后保持匀速转动，到达减速点，速度时在0.5s 内转速变为0。按下下降按钮时，舞台开始下降，电机的转速在0.5s 内达到1000r/min ，到达减速点时，舞台开始减速，达到停止点时，舞台停止下降。这里的电机以及旋转彩灯所用到的电机启动方式均为变频启动，这样可以节约能源，减少大电流对绕组的冲击，延长电机的寿命。为了安全起见，升降舞台的两块升降台应当达到同步控制的效果。这里我选择同步控制误差小于30mm 的标准，这样在安全和视觉两方面均可以有很好地保证。

2.5.1两种同步控制方式的比较

升降舞台的同步控制的思路分为两种。第一种称为并行控制。这是一种最简单的控制方式。顾名思义，并行控制就是将多台电机采取并联的方式，各个升降台的调速系统都接受相同的信号来控制电机的转速。这种方式容易实现，但是抗干扰能力较弱。如图2.3就是并行控制的示意图。

图2.3并行控制示意图

另一种是主从控制，它是将两台电机分为主电机和从电机。主电机的输出值就是从电机的输入值。也就是说从电机的输出可以跟随主电机的输出来进行调整。而从电机的输出不会影响主电机，这样安全性和整体性都大大提高。如图2.4就是主从控制的示意图。所以选择主从控制的方式更加能够保证系统的整体性和同步性，从而提高安全性。

图2.4主从控制示意图

现代升降舞台系统中，由于舞台运动过程中存在负载不均匀，摩擦阻力大小不一等因素，因此舞台同步控制是一个复杂、时变动态过程，存在非线性、大惯性的特征。传统PID 控制算法简单，可靠性较高，应用设计简便，应用广泛，对于确定数学模型的系统可以获得最好的控制效果。所以PID控制在舞台同步控制方面仍然占有一席之地。在本次设计中采用PID控制来实现两块升降台的同步升降。

2.6系统的输入输出分析

针对上述中的对控制方案的描述，现总结得出系统的输入输出。系统共有8个输入，29个输出。输入分别为启动按钮，停止按钮，舞台上升按钮，舞台上减速按钮，舞台上停止按钮，舞台下降按钮，舞台下停止按钮，舞台下减速按钮。输出为各个舞台灯的亮暗和带动升降舞台，旋转彩灯和风扇泡泡机的各个电机的变频启动和工频运行。

综上所述本章总体介绍了舞台灯光控制系统的设计思路。分别对灯光控制系统部分以及升降舞台部分的设计思路以及设计需求做了介绍。在舞台灯的空间布局完成后，我初步选择了一套闪烁灯的闪烁方案。在升降舞台部分，我选择了主从控制的控制思路，运用PID 来达到两块升降台同步控制的效果。在升降舞台的调速上，为了提高电机的输出效率，我

选择了恒压频比的调速方式。最后对系统整体的输入输出做了分析，

第3章硬件设计

本章节讨论了硬件的选型。主要包括PLC的选型，CPU的选型，舞台灯光的选择以及变频器的选择。本章节还给出了舞台灯光的I/O表和电气原理图，并分别对其做出了一定的解释。

3.1系统整体概述

系统总体分为输入单元、输出单元、和CPU。输入单元由输入按钮，输出按钮组成。输出单元由28盏灯和升降舞台、烟雾机和风扇泡泡机组成。编写的程序存放在存储器中。

如图3.1，当按下启动按钮时，PLC开始工作，CPU开始执行相应的程序来控制某些继电器的触点的闭合或者断开。此时控制旋转彩灯的继电器触电闭合，控制灯L1-L7的继电器触电也闭合，所以常亮灯的8盏灯变亮。且会持续到停止按钮按下。同时，如果演出需要，则可以开启烟雾机制造烟雾，也可以开启风扇泡泡机，共同配合灯光营造出特定的演出氛围。最后还设置了急停按钮。万一出现意外情况，则可以按下急停按钮，所有的继电器触电全部断开，避免造成不必要的损失。

图3.1舞台灯光控制系统结构图