音樂噴泉計算機集成控制——應(yīng)用與開發(fā)

 提要：介紹了計算機在噴泉水泵的供電、調(diào)速、搖擺噴頭的定位、多媒體音樂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，現(xiàn)代科技與藝術(shù)的綜合?，F(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發(fā)展，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?，水泵的?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?？梢圆捎眉姓鳎劝呀涣鬓D(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，再對每路音控水泵采用一臺逆變器，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。

目前逆變器已有工業(yè)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-10℃~40℃。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器，只要用10∶1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?？梢姡@些都是不能事先確定的因素。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。

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