音樂噴泉計(jì)算機(jī)集成控制——應(yīng)用與開發(fā)

 提要：介紹了計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)輔助配樂、人工智能實(shí)時(shí)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(jì),計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)時(shí)控制

音樂噴泉是一項(xiàng)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(jī)構(gòu)動(dòng)作復(fù)雜多樣，變化迅速，又要與音樂同步一致，所以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要完成音樂噴泉的自動(dòng)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(yùn)行的過程。所以，計(jì)算機(jī)控制在音樂噴泉中已占有相當(dāng)重要的地位，隨著多媒體和人工智能的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已從單純噴泉控制發(fā)展到樂曲管理、計(jì)算機(jī)輔助配樂及噴泉多媒體仿真的計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)。

限于給水排水專業(yè)范圍，本文不可能對計(jì)算機(jī)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(jì)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(dòng)機(jī)總?cè)萘繒艽?，水泵的?shù)量會很多。在同一時(shí)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(fèi)大量投資?？梢圆捎眉姓?，先把交流轉(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(jī)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(dòng)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(jì)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(jì)算機(jī)的每一路RS485接口可連接32臺逆變器。這樣在計(jì)算機(jī)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(jī)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(diǎn)，適用于輕松跳躍的節(jié)奏；而在計(jì)算機(jī)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(dòng)電路應(yīng)用已十分普遍。所以在控制計(jì)算機(jī)中對50周波交流電進(jìn)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(dòng)MOSFET或IGBT,就會產(chǎn)生不同電壓的50周波交流電源，實(shí)現(xiàn)簡便的交流電壓調(diào)速控制。

3 噴泉搖擺機(jī)構(gòu)的定位及速度控制

搖擺噴泉的位置和運(yùn)動(dòng)速度的變化是產(chǎn)生搖擺水型瀟灑風(fēng)彩的重要因素。噴泉搖擺機(jī)構(gòu)的位置傳感器應(yīng)當(dāng)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(jī)構(gòu)的定位裝置包括：裝在搖擺電機(jī)軸上的位置編碼器、高速計(jì)數(shù)器、控制計(jì)算機(jī)以及通信接口等。

異步電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)確停車涉及到采用何種方法進(jìn)行制動(dòng)問題。采用能耗制動(dòng)方式，在定子中通入直流電產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行制動(dòng)，可在轉(zhuǎn)速為零時(shí)轉(zhuǎn)矩也為零，達(dá)到準(zhǔn)確停車的目的。

由于搖擺機(jī)構(gòu)的連桿一般會有較大的間隙，為了達(dá)到精確定位只能使搖擺機(jī)構(gòu)從一個(gè)方向到達(dá)定位點(diǎn)，才能保證其重復(fù)精度。因此，搖擺機(jī)構(gòu)需要停車時(shí)，每次都必須從一個(gè)方向到達(dá)定位點(diǎn)。

搖擺機(jī)構(gòu)的定位精度受運(yùn)動(dòng)力矩與阻力矩的影響。運(yùn)動(dòng)力矩決定于電動(dòng)機(jī)的電源電壓和停車前的運(yùn)動(dòng)速度等，而阻力矩則由搖擺機(jī)構(gòu)的摩擦力、水流的速度、周圍的風(fēng)力等合成?？梢?，這些都是不能事先確定的因素。所以，為了達(dá)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(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)來精確定位的控制參數(shù)一般有兩個(gè)，直流制動(dòng)電流的大小和啟動(dòng)制動(dòng)時(shí)間。對計(jì)算機(jī)控制較為方便的方式是采用改變制動(dòng)時(shí)間。

在控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間可用檢測到位點(diǎn)的偏差來進(jìn)行修正。根據(jù)搖擺機(jī)構(gòu)定位偏差值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，最后確定制動(dòng)時(shí)間。

當(dāng)搖擺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度要與樂曲的節(jié)奏同步時(shí)，就要求得它的運(yùn)動(dòng)速度，并對搖擺電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。由于速度就是位移對時(shí)間的微分，所以從搖擺電機(jī)軸上位置編碼器送來的脈沖數(shù)，就可以在計(jì)算機(jī)中求出它的運(yùn)動(dòng)速度。

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