1、音樂噴泉計算機集成控制的應(yīng)用與開發(fā)        摘要：介紹了機在噴泉水泵的供電、調(diào)速、搖擺噴頭的定位、多媒體噴泉的控制及計算機輔助配樂、人工智能實時控制等方面的應(yīng)用與開發(fā)。 關(guān)鍵詞：噴泉工程 電控設(shè)計 計算機控制系統(tǒng) 實時控制  音樂噴泉是一項幻彩聲控，科技與的綜合。現(xiàn)代噴泉的各種機構(gòu)動作復(fù)雜多樣，變化迅速，又要與音樂同步一致，所以計算機控制系統(tǒng)要完成音樂噴泉的自動選曲、同步演示、控制和存儲樂曲等全部信息數(shù)據(jù)處理及監(jiān)測運行的過程。所以，計算機控制在音樂噴泉中已占有相當重要的地位，隨著多媒體和人工智能的，

2、計算機已從單純噴泉控制發(fā)展到樂曲管理、計算機輔助配樂及噴泉多媒體仿真的計算機集成系統(tǒng)。限于給水排水專業(yè)范圍，本文不可能對計算機及控制技術(shù)作詳盡敘述，而是想通過此文讓噴泉工程的工藝設(shè)計者給水排水工程師，了解現(xiàn)代音樂噴泉在控制方面的最新技術(shù)。1音樂噴泉水泵的供電系統(tǒng)在大型音樂噴泉中，用變頻電源供電的電動機總?cè)萘繒艽螅玫臄?shù)量會很多。在同一時刻，它們各自需要有多種供電頻率。因此，用變頻器來作為變頻電源就會耗費大量投資。可以采用集中整流，先把交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳎賹γ柯芬艨厮貌捎靡慌_逆變器，把直流轉(zhuǎn)換成各種不同頻率的交流電源，向水泵電機供電。這是一種既節(jié)能又可降低控制設(shè)備投資的最佳方案。在集中整流方

3、面，可以采用成套整流裝置，其中用1臺整流裝置作為備用，并用自動合閘來增加供電的可靠性。目前逆變器已有產(chǎn)品，如德國施萊福公司生產(chǎn)的逆變器有可靠的電氣性能，設(shè)計壽命為15年，適用環(huán)境溫度-1040。逆變器大都帶有RS485或SPI串行通信接口。計算機的每一路RS485接口可連接32臺逆變器。這樣在計算機上也不再需要D/A轉(zhuǎn)換接口了。2音樂噴泉水泵的PWM調(diào)速控制噴泉音控主要有兩種方式：(1) 水泵電機的調(diào)速；(2) 控制噴嘴閥門開閉的大小。閥控具有響應(yīng)快的優(yōu)點，適用于輕松跳躍的節(jié)奏；而在計算機控制下的水泵調(diào)速，則變化多樣，更宜于配合抒情和優(yōu)雅的旋律。對一般音樂噴泉水泵調(diào)速控制不需要采用高精度的變頻

4、器，只要用101調(diào)速范圍的交流電壓調(diào)速系統(tǒng)就可以滿足要求。由于近來功率半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，高電壓和大電流的MOSFET或IGBT驅(qū)動電路應(yīng)用已十分普遍。所以在控制計算機中對50周波交流電進行多路PWM調(diào)制，就可以得到多路不同調(diào)制系數(shù)的50周波交流電。再把它們分別驅(qū)動MOSFET或IGBT，就會產(chǎn)生不同電壓的50周波交流電源，實現(xiàn)簡便的交流電壓調(diào)速控制。3噴泉搖擺機構(gòu)的定位及速度控制搖擺噴泉的位置和運動速度的變化是產(chǎn)生搖擺水型瀟灑風彩的重要因素。噴泉搖擺機構(gòu)的位置傳感器應(yīng)當是防水的不接觸定位裝置。經(jīng)常采用由磁鐵感應(yīng)的霍爾傳感器、光纖引導(dǎo)的光電傳感器或磁鐵吸引的旋轉(zhuǎn)位置編碼器等。例如對于采用位置

5、編碼器的噴泉搖擺機構(gòu)的定位裝置包括：裝在搖擺電機軸上的位置編碼器、高速計數(shù)器、控制計算機以及通信接口等。異步電動機的準確停車涉及到采用何種方法進行制動問題。采用能耗制動方式，在定子中通入直流電產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩進行制動，可在轉(zhuǎn)速為零時轉(zhuǎn)矩也為零，達到準確停車的目的。由于搖擺機構(gòu)的連桿一般會有較大的間隙，為了達到精確定位只能使搖擺機構(gòu)從一個方向到達定位點，才能保證其重復(fù)精度。因此，搖擺機構(gòu)需要停車時，每次都必須從一個方向到達定位點。搖擺機構(gòu)的定位精度受運動力矩與阻力矩的影響。運動力矩決定于電動機的電源電壓和停車前的運動速度等，而阻力矩則由搖擺機構(gòu)的摩擦力、水流的速度、周圍的風力等合成。可見，這些都是不

6、能事先確定的因素。所以，為了達到精確定位的目的，我們必須每次改變其控制參數(shù)。對于采用電動機能耗制動來精確定位的控制參數(shù)一般有兩個，直流制動電流的大小和啟動制動時間。對計算機控制較為方便的方式是采用改變制動時間。在控制系統(tǒng)中，電動機制動時間可用檢測到位點的偏差來進行修正。根據(jù)搖擺機構(gòu)定位偏差值的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學(xué)模型的計算，最后確定制動時間。當搖擺機構(gòu)的運動速度要與樂曲的節(jié)奏同步時，就要求得它的運動速度，并對搖擺電機進行調(diào)速。由于速度就是位移對時間的微分，所以從搖擺電機軸上位置編碼器送來的脈沖數(shù)，就可以在計算機中求出它的運動速度。4音樂噴泉的計算機自動控制音樂噴泉控制軟件包括自動選曲、水型與樂曲

7、同步、水型的程序演示、彩色燈光的程序演示、水型的音量隨動、水型的節(jié)奏隨動、聲音的延時控制等。4.1自動選曲音樂噴泉所播放的樂曲光盤可以從計算機的光盤塔中直接播放。當操作員在樂曲數(shù)據(jù)庫中確定了演示樂曲后，計算機控制系統(tǒng)能從光盤塔中自動尋找所要播放的光盤在哪一個光盤驅(qū)動器中，隨后啟動該驅(qū)動器，正確地播放選定的樂曲。若選擇的樂曲光盤不在光盤塔中時，也會自動揭示。4.2水型與樂曲同步控制當樂曲開始播放，水型會同步演示。在上一首樂曲結(jié)束和下一首樂曲開始的間歇期間，水型也會保持同步停止和繼續(xù)演示。計算機控制系統(tǒng)能提供可調(diào)整的聲音延時，對各種不同容量的水泵，采用不同的延時，使水型與樂曲達到同步的效果。4.3

8、水型的程序演示噴泉水泵電動機是受計算機系統(tǒng)的程序控制，每一段樂曲由哪些水泵開始都是由樂曲播放數(shù)據(jù)表中規(guī)定。對某些并聯(lián)控制水泵的動作也受水型的演示程序控制。4.4彩色燈光、光纖照明和激光照射的程序演示與水型的演示程序類似，彩色燈光、光纖照明和激光照射也由計算機系統(tǒng)程序控制。光纖照明用計算機控制步進電機帶動旋轉(zhuǎn)的彩色遮光盤而進行變色。而激光照射是由計算機對光纖進行掃描。激光光源的波長也由計算機來控制，從而改變激光和亮度，實現(xiàn)各種彩色圖案。4.5水型的音量隨動控制對于某些水型，在藝術(shù)造型上要求與音樂隨動，使音樂噴泉表演出樂曲的內(nèi)涵和感情。這種水型的起伏變化是由音控所產(chǎn)生。在樂曲播放數(shù)據(jù)表中，對控制音

9、平的強弱有兩個加權(quán)系數(shù)，其一是對整個曲段的加權(quán)，另一個是在這一段中對某一個或幾個水型的加權(quán)。這樣能使音樂噴泉的演示效果和主題更為明確。4.6水型的節(jié)奏隨動控制對某些水型的跳躍和搖擺要與樂曲的節(jié)奏同步，表演出音樂噴泉的激情和活力。這種水型的跳躍和搖擺變化也是由音控所產(chǎn)生。首先，計算機從樂曲的音量變化曲線中取出樂曲的節(jié)奏；然后，控制水泵電動機啟停或加速，使噴嘴的水流產(chǎn)生與節(jié)奏同步的跳動。4.7聲音的延時控制聲音延時控制在音樂噴泉中要多次用到。這里指的聲音延時控制是在不同地形位置觀看噴泉時，會出現(xiàn)音樂與水型的不同步現(xiàn)象。因此，計算機控制系統(tǒng)能提供可調(diào)整的聲音延時，使站在不同位置的觀眾，達到同步的效果

10、。4.8噴泉用電負荷的自動控制和保護當噴泉用電量超過最大允許負荷時，計算機控制系統(tǒng)會自動切斷某些水泵電源，使總負荷不超過定額。計算機監(jiān)控系統(tǒng)可把電源每一相的電壓和電流波形存儲起來，計算出有效電壓、有效電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等。因此，計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以在極短的時間內(nèi)確定過電流時的電流量以及持續(xù)時間，用計算機來作無熔斷器的過流保護，可以在5s時間內(nèi)關(guān)斷事故電路的輸出。1         5噴泉機輔助配樂軟件在音樂噴泉的樂曲數(shù)據(jù)庫中，每一首樂曲都有它的樂曲播放數(shù)據(jù)表。樂曲播放數(shù)據(jù)表在配樂時由計算機產(chǎn)生，但這是

11、要由配樂者一段一段地來選擇適合的水型和燈光，也就是由人工來進行配樂。人工配樂是一件十分仔細和需要智慧的創(chuàng)造工作。音樂噴泉計算機輔助配樂軟件是由一個人工智能的專家系統(tǒng)和一個噴泉配樂知識庫組成。它提供簡單的問話語句來描述這首樂曲或某段樂句的“知識”，如樂曲類別、節(jié)奏快慢、情緒高低、演奏或演唱人的數(shù)量、樂器種類等。隨后由計算機提出幾種噴泉演示方案，供操作人員選擇。若在沒有人為選擇時，它也有一個默認方案，即實現(xiàn)水型自動組合。配樂后所產(chǎn)生的噴泉控制數(shù)據(jù)存入樂曲數(shù)據(jù)庫中。在計算機控制軟件中也會提供多種典型樂曲程序。如進行曲、舞曲、抒情曲和跳躍的流行曲等。當選擇其中的典型樂曲程序時，就不必進行配曲即可演示音

12、樂噴泉。6多媒體音樂噴泉仿真與實時監(jiān)控當樂曲初次配樂完成后，音樂噴泉的演示效果可以用多媒體實現(xiàn)虛擬仿真。噴泉多媒體虛擬仿真可采用DIRECTOR多媒體平臺。它把計算機屏幕作為演示舞臺，各種水型作為“演員(Cast）”。在“總譜表(Scorc)”中存放音樂噴泉各種類型的演示子程序。在“腳本（Script)”導(dǎo)演下完成多媒體音樂噴泉的動畫演示。DIRECTOR多媒體平臺的“腳本”是用Lingo語言編寫，它可以實現(xiàn)超鏈接的功能；此外，Lingo語言還有控制功能，可對各種不同對象進行分鏡頭控制。各組分鏡頭都有它們的各自的編號。各種水型的仿真演示都是由“水型演員”在多媒體平臺進行各種組合 ，它們存放在指

13、定的演員表中。樂曲數(shù)據(jù)庫里的每一首樂曲是用Lingo語言寫成的多媒體虛擬仿真腳本。Lingo語言允許把腳本寫成表格的形式，這樣虛擬仿真腳本就可以從樂曲播放數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)換得到。當音樂噴泉多媒體虛擬仿真時，腳本會根據(jù)樂曲播放數(shù)據(jù)表中規(guī)定的程序在計算機屏幕上演示，并保持與音樂的同步。音樂噴泉多媒體虛擬仿真也可以作為音樂噴泉演示時的實時監(jiān)控，也可在大屏幕上觀賞。隨著我國人民生活水平和藝術(shù)修養(yǎng)的提高，要求環(huán)境綠化、游樂場所、賓館、商場中噴泉水景和音樂噴泉姿態(tài)各樣，趣味引人。計算機集成控制在音樂噴泉中的應(yīng)用也必定會起到更大的作用。1周斌. 機電一體化實用技術(shù)手冊. 北京：兵器出版社，19942蘇彥民. 電力拖動系統(tǒng)的微型計算機控制. 西安：西安大學(xué)出版社，19883夏國平. 專家系統(tǒng)開發(fā)工具與VP-EXPERT. 北京：清華大學(xué)出版社，19914王汝笠，