音乐喷泉计算机集成控制的应用与开发

摘要：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

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