音樂噴泉計算機集成控制應用與開發_音樂噴泉水泵的供電系統
2019/1/11 19:39:30??????點擊：
音樂噴泉是一項幻彩聲控，現代科技與藝術的綜合。現代噴泉的各種機構動作復雜多樣，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據處理及監測運行的過程。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展，計算機已從單純噴泉控制發展到樂曲管理、計算機輔助配樂及噴泉多媒體仿真的計算機集成系統。
限于給水排水專業范圍，本文不可能對計算機及控制技術作詳盡敘述，而是想通過此文讓噴泉工程的工藝設計者--給水排水工程師，了解現代音樂噴泉在控制方面的最新技術。
1 音樂噴泉水泵的供電系統
在大型音樂噴泉中，用變頻電源供電的電動機總容量會很大，水泵的數量會很多。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。可以采用集中整流，先把交流轉變為直流，再對每路音控水泵采用一臺逆變器，把直流轉換成各種不同頻率的交流電源，向水泵電機供電。這是一種既節能又可降低控制設備投資的最佳方案。
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產品，如德國施萊福公司生產的逆變器有可靠的電氣性能，設計壽命為15年，適用環境溫度-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轉換接口了。
2 音樂噴泉水泵的PWM調速控制
噴泉音控主要有兩種方式：（1） 水泵電機的調速；（2） 控制噴嘴閥門開閉的大小。閥控具有響應快的優點，適用于輕松跳躍的節奏；而在計算機控制下的水泵調速，則變化多樣，更宜于配合抒情和優雅的旋律。對一般音樂噴泉水泵調速控制不需要采用高精度的變頻器，只要用10∶1調速范圍的交流電壓調速系統就可以滿足要求。
由于近來功率半導體器件的飛速發展，高電壓和大電流的MOSFET或IGBT驅動電路應用已十分普遍。所以在控制計算機中對50周波交流電進行多路PWM調制，就可以得到多路不同調制系數的50周波交流電。再把它們分別驅動MOSFET或IGBT,就會產生不同電壓的50周波交流電源，實現簡便的交流電壓調速控制。
3 噴泉搖擺機構的定位及速度控制
搖擺噴泉的位置和運動速度的變化是產生搖擺水型瀟灑風彩的重要因素。噴泉搖擺機構的位置傳感器應當是防水的不接觸定位裝置。經常采用由磁鐵感應的霍爾傳感器、光纖引導的光電傳感器或磁鐵吸引的旋轉位置編碼器等。
例如對于采用位置編碼器的噴泉搖擺機構的定位裝置包括：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生制動轉矩進行制動，可在轉速為零時轉矩也為零，達到準確停車的目的。
由于搖擺機構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從一個方向到達定位點，才能保證其重復精度。因此，搖擺機構需要停車時，每次都必須從一個方向到達定位點。
搖擺機構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的摩擦力、水流的速度、周圍的風力等合成。可見，這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。對于采用電動機能耗制動來精確定位的控制參數一般有兩個，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。根據搖擺機構定位偏差值的統計數據，經過數學模型的計算，最后確定制動時間。
當搖擺機構的運動速度要與樂曲的節奏同步時，就要求得它的運動速度，并對搖擺電機進行調速。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，就可以在計算機中求出它的運動速度。
限于給水排水專業范圍，本文不可能對計算機及控制技術作詳盡敘述，而是想通過此文讓噴泉工程的工藝設計者--給水排水工程師，了解現代音樂噴泉在控制方面的最新技術。
1 音樂噴泉水泵的供電系統
在大型音樂噴泉中，用變頻電源供電的電動機總容量會很大，水泵的數量會很多。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。可以采用集中整流，先把交流轉變為直流，再對每路音控水泵采用一臺逆變器，把直流轉換成各種不同頻率的交流電源，向水泵電機供電。這是一種既節能又可降低控制設備投資的最佳方案。
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產品，如德國施萊福公司生產的逆變器有可靠的電氣性能，設計壽命為15年，適用環境溫度-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轉換接口了。
2 音樂噴泉水泵的PWM調速控制
噴泉音控主要有兩種方式：（1） 水泵電機的調速；（2） 控制噴嘴閥門開閉的大小。閥控具有響應快的優點，適用于輕松跳躍的節奏；而在計算機控制下的水泵調速，則變化多樣，更宜于配合抒情和優雅的旋律。對一般音樂噴泉水泵調速控制不需要采用高精度的變頻器，只要用10∶1調速范圍的交流電壓調速系統就可以滿足要求。
由于近來功率半導體器件的飛速發展，高電壓和大電流的MOSFET或IGBT驅動電路應用已十分普遍。所以在控制計算機中對50周波交流電進行多路PWM調制，就可以得到多路不同調制系數的50周波交流電。再把它們分別驅動MOSFET或IGBT,就會產生不同電壓的50周波交流電源，實現簡便的交流電壓調速控制。
3 噴泉搖擺機構的定位及速度控制
搖擺噴泉的位置和運動速度的變化是產生搖擺水型瀟灑風彩的重要因素。噴泉搖擺機構的位置傳感器應當是防水的不接觸定位裝置。經常采用由磁鐵感應的霍爾傳感器、光纖引導的光電傳感器或磁鐵吸引的旋轉位置編碼器等。
例如對于采用位置編碼器的噴泉搖擺機構的定位裝置包括：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生制動轉矩進行制動，可在轉速為零時轉矩也為零，達到準確停車的目的。
由于搖擺機構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從一個方向到達定位點，才能保證其重復精度。因此，搖擺機構需要停車時，每次都必須從一個方向到達定位點。
搖擺機構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的摩擦力、水流的速度、周圍的風力等合成。可見，這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。對于采用電動機能耗制動來精確定位的控制參數一般有兩個，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。根據搖擺機構定位偏差值的統計數據，經過數學模型的計算，最后確定制動時間。
當搖擺機構的運動速度要與樂曲的節奏同步時，就要求得它的運動速度，并對搖擺電機進行調速。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，就可以在計算機中求出它的運動速度。
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