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音乐喷泉计算机集成控制的应用与开发排行

作者:   来源:   时间:2013年11月27日

介绍了计算机在喷泉水泵的供电、调速、摇摆喷头的定位、多媒体音乐喷泉的控制及计算机辅助配乐、人工智能实时控制等方面的应用与开发。

NO1. 音乐喷泉水泵的供电系统

在大型音乐喷泉中,用变频电源供电的电动机总容量会很大,水泵的数量会很多。在同一时刻,它们各自需要有多种供电频率。因此,用变频器来作为变频电源就会耗费大量投资。可以采用集中整流,先把交流转变为直流,再对每路音控水泵采用一台逆变器,把直流转换成各种不同频率的交流电源,向水泵电机供电。这是一种既节能又可降低控制设备投资的最佳方案。
在集中整流方面,可以采用成套整流装置,其中用1台整流装置作为备用,并用自动合闸来增加供电的可靠性。
目前逆变器已有工业产品,如德国施莱福公司生产的逆变器有可靠的电气性能,设计寿命为15年,适用环境温度-10℃~40℃。逆变器大都带有RS485或SPI串行通信接口。计算机的每一路RS485接口可连接32台逆变器。这样在计算机上也不再需要D/A转换接口了。

NO2. 音乐喷泉水泵的PWM调速控制

喷泉音控主要有两种方式:(1) 水泵电机的调速;(2) 控制喷嘴阀门开闭的大小。阀控具有响应快的优点,适用于轻松跳跃的节奏;而在计算机控制下的水泵调速,则变化多样,更宜于配合抒情和优雅的旋律。对一般音乐喷泉水泵调速控制不需要采用高精度的变频器,只要用10∶1调速范围的交流电压调速系统就可以满足要求。
由于近来功率半导体器件的飞速发展,高电压和大电流的MOSFET或IGBT驱动电路应用已十分普遍。所以在控制计算机中对50周波交流电进行多路PWM调制,就可以得到多路不同调制系数的50周波交流电。再把它们分别驱动MOSFET或IGBT,就会产生不同电压的50周波交流电源,实现简便的交流电压调速控制。

NO3. 喷泉摇摆机构的定位及速度控制

摇摆喷泉的位置和运动速度的变化是产生摇摆水型潇洒风彩的重要因素。喷泉摇摆机构的位置传感器应当是防水的不接触定位装置。经常采用由磁铁感应的霍尔传感器、光纤引导的光电传感器或磁铁吸引的旋转位置编码器等。
例如对于采用位置编码器的喷泉摇摆机构的定位装置包括:装在摇摆电机轴上的位置编码器、高速计数器、控制计算机以及通信接口等。
异步电动机的准确停车涉及到采用何种方法进行制动问题。采用能耗制动方式,在定子中通入直流电产生制动转矩进行制动,可在转速为零时转矩也为零,达到准确停车的目的。
由于摇摆机构的连杆一般会有较大的间隙,为了达到精确定位只能使摇摆机构从一个方向到达定位点,才能保证其重复精度。因此,摇摆机构需要停车时,每次都必须从一个方向到达定位点。
摇摆机构的定位精度受运动力矩与阻力矩的影响。运动力矩决定于电动机的电源电压和停车前的运动速度等,而阻力矩则由摇摆机构的摩擦力、水流的速度、周围的风力等合成。可见,这些都是不能事先确定的因素。所以,为了达到精确定位的目的,我们必须每次改变其控制参数。对于采用电动机能耗制动来精确定位的控制参数一般有两个,直流制动电流的大小和启动制动时间。对计算机控制较为方便的方式是采用改变制动时间。
在控制系统中,电动机制动时间可用检测到位点的偏差来进行修正。根据摇摆机构定位偏差值的统计数据,经过数学模型的计算,最后确定制动时间。
当摇摆机构的运动速度要与乐曲的节奏同步时,就要求得它的运动速度,并对摇摆电机进行调速。由于速度就是位移对时间的微分,所以从摇摆电机轴上位置编码器送来的脉冲数,就可以在计算机中求出它的运动速度。

NO4. 音乐喷泉的计算机自动控制

音乐喷泉控制包括自动选曲、水型与乐曲同步、水型的程序演示、彩色灯光的程序演示、水型的音量随动、水型的节奏随动、声音的延时控制等。
4.1自动选曲
音乐喷泉所播放的乐曲光盘可以从计算机的光盘塔中直接播放。当操作员在乐曲数据库中确定了演示乐曲后,计算机控制系统能从光盘塔中自动寻找所要播放的光盘在哪一个光盘驱动器中,随后启动该驱动器,正确地播放选定的乐曲。若选择的乐曲光盘不在光盘塔中时,也会自动揭示。
4.2水型与乐曲同步控制
当乐曲开始播放,水型会同步演示。在上一首乐曲结束和下一首乐曲开始的间歇期间,水型也会保持同步停止和继续演示。计算机控制系统能提供可调整的声音延时,对各种不同容量的水泵,采用不同的延时,使水型与乐曲达到同步的效果。
4.3水型的程序演示
喷泉水泵电动机是受计算机系统的程序控制,每一段乐曲由哪些水泵开始都是由乐曲播放数据表中规定。对某些并联控制水泵的动作也受水型的演示程序控制。
4.4彩色灯光、光纤照明和激光照射的程序演示
与水型的演示程序类似,彩色灯光、光纤照明和激光照射也由计算机系统程序控制。光纤照明用计算机控制步进电机带动旋转的彩色遮光盘而进行变色。而激光照射是由计算机对光纤进行扫描。激光光源的波长也由计算机来控制,从而改变激光和亮度,实现各种彩色图案。
4.5水型的音量随动控制
对于某些水型,在艺术造型上要求与音乐随动,使音乐喷泉表演出乐曲的内涵和感情。这种水型的起伏变化是由音控所产生。在乐曲播放数据表中,对控制音平的强弱有两个加权系数,其一是对整个曲段的加权,另一个是在这一段中对某一个或几个水型的加权。这样能使音乐喷泉的演示效果和主题更为明确。
4.6水型的节奏随动控制
对某些水型的跳跃和摇摆要与乐曲的节奏同步,表演出音乐喷泉的激情和活力。这种水型的跳跃和摇摆变化也是由音控所产生。首先,计算机从乐曲的音量变化曲线中取出乐曲的节奏;然后,控制水泵电动机启停或加速,使喷嘴的水流产生与节奏同步的跳动。
4.7声音的延时控制
声音延时控制在音乐喷泉中要多次用到。这里指的声音延时控制是在不同地形位置观看喷泉时,会出现音乐与水型的不同步现象。因此,计算机控制系统能提供可调整的声音延时,使站在不同位置的观众,达到同步的效果。
4.8喷泉用电负荷的自动控制和保护
当喷泉用电量超过最大允许负荷时,计算机控制系统会自动切断某些水泵电源,使总负荷不超过定额。计算机监控系统可把电源每一相的电压和电流波形存储起来,计算出有效电压、有效电流、有功功率、无功功率、功率因数等。因此,计算机监控系统可以在极短的时间内确定过电流时的电流量以及持续时间,用计算机来作无熔断器的过流保护,可以在5μs时间内关断事故电路的输出。

 
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