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音乐喷泉计算机集成控制——应用与开发

2017-2-9 10:21:29点击:
 提要: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。
关键词:喷泉工程,电控设计,计算机控制系统,实时控制
音乐喷泉是一项幻彩声控,现代科技与艺术的综合。现代喷泉的各种机构动作复杂多样,变化迅速,又要与音乐同步一致,所以计算机控制系统要完成音乐喷泉的自动选曲、同步演示、控制和存储乐曲等全部信息数据处理及监测运行的过程。所以,计算机控制在音乐喷泉中已占有相当重要的地位,随着多媒体和人工智能的发展,计算机已从单纯喷泉控制发展到乐曲管理、计算机辅助配乐及喷泉多媒体仿真的计算机集成系统。
限于给水排水专业范围,本文不可能对计算机及控制技术作详尽叙述,而是想通过此文让喷泉工程的工艺设计者--给水排水工程师,了解现代音乐喷泉在控制方面的最新技术。
1 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。
2 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。
3 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。
4 音乐喷泉的计算机自动控制
音乐喷泉控制软件包括自动选曲、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
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。
5 音乐喷泉计算机辅助配乐软件
在音乐喷泉的乐曲数据库中,每一首乐曲都有它的乐曲播放数据表。乐曲播放数据表在配乐时由计算机产生,但这是要由配乐者一段一段地来选择适合的水型和灯光,也就是由人工来进行配乐。人工配乐是一件十分仔细和需要智慧的艺术创造工作。
音乐喷泉计算机辅助配乐软件是由一个人工智能的专家系统和一个喷泉配乐知识库组成。它提供简单的问话语句来描述这首乐曲或某段乐句的“知识”,如乐曲类别、节奏快慢、情绪高低、演奏或演唱人的数量、乐器种类等。随后由计算机提出几种喷泉演示方案,供操作人员选择。
若在没有人为选择时,它也有一个默认方案,即实现水型自动组合。配乐后所产生的喷泉控制数据存入乐曲数据库中。
在计算机控制软件中也会提供多种典型乐曲程序。如进行曲、舞曲、抒情曲和跳跃的流行曲等。当选择其中的典型乐曲程序时,就不必进行配曲即可演示音乐喷泉
6 多媒体音乐喷泉仿真与实时监控
当乐曲初次配乐完成后,音乐喷泉的演示效果可以用多媒体实现虚拟仿真。喷泉多媒体虚拟仿真可采用DIRECTOR多媒体平台。它把计算机屏幕作为演示舞台,各种水型作为“演员(Cast)”.在“总谱表(Scorc)”中存放音乐喷泉各种类型的演示子程序。在“脚本(Script)”导演下完成多媒体音乐喷泉的动画演示。DIRECTOR多媒体平台的“脚本”是用Lingo语言编写,它可以实现超链接的功能;此外,Lingo语言还有控制功能,可对各种不同对象进行分镜头控制。各组分镜头都有它们的各自的编号。
各种水型的仿真演示都是由“水型演员”在多媒体平台进行各种组合 ,它们存放在指定的演员表中。
乐曲数据库里的每一首乐曲是用Lingo语言写成的多媒体虚拟仿真脚本。Lingo语言允许把脚本写成表格的形式,这样虚拟仿真脚本就可以从乐曲播放数据表转换得到。
当音乐喷泉多媒体虚拟仿真时,脚本会根据乐曲播放数据表中规定的程序在计算机屏幕上演示,并保持与音乐的同步。
音乐喷泉多媒体虚拟仿真也可以作为音乐喷泉演示时的实时监控,也可在大屏幕上观赏。
随着我国人民生活水平和艺术修养的提高,要求环境绿化、游乐场所、宾馆、商场中喷泉水景和音乐喷泉姿态各样,趣味引人。计算机集成控制在音乐喷泉中的应用也必定会起到更大的作用。
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