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（4）变频控制

音乐喷泉变频控制是众多控制系统中的一种。随着先进的控制理论和方法在喷泉控制系统中的应用，喷泉的控制系统不断的完善和升级，其中变频技术在喷泉控制系统中的应用也逐渐成熟，并逐步发展为水泵调速控制的主要方式。变频控制系统的应用会给大型音乐喷泉增色很多，可以使音乐喷泉的喷射高度随音乐信号大小变化，使音乐、水花、灯光融为一体，演出一场交响水诗。因而音乐喷泉变频调速技术具有广阔的应用前景。

1.2 课题研究的内容及意义

音乐喷泉作为一种独特的人工景观，其产生的景观效果非常美丽。在广场、平静的湖面、公园设置一个音乐喷泉，将使原来静态的景观变成动态的景观，其产生的效果不是其他人工景观可以比拟的。正是这种原因推动了音乐喷泉的发展和研究[3]。

本课题采用先进的控制设备，来研究音乐喷泉控制系统。第一，采用PLC控制技术，研究设计符合项目要求的控制程序。第二，采用变频技术。从扬声器两段采集的音频信号作为控制信号，去控制变频器的输出频率，控制水泵的转速，从而达到喷泉水柱根据音乐节奏变化。

在设计中，要解决的问题主要有：水泵电机间歇工作所产生的瞬间电压波动和干扰；变频的高频大电流抑制；工程的造价及设备的性价比；同时还要考虑控制系统的可靠性和扩展性。

1.3 本章小结

本章主要对音乐喷泉的发展现状做了简单的介绍，以及音乐喷泉控制系统现有的四种控制技术（程序控制、实时声控、预编程控制、变频控制）。介绍了本课题的研究内容和意义和在设计中要解决的主要问题等。

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第2章 PLC音乐喷泉控制系统概述

2.1 音乐喷泉控制系统设计要求

本次音乐喷泉建立在面积为20M2的广场上。整个音乐喷泉的平面示意图如图2.1所示。该音乐喷泉由中心区和围绕中心区的一个环构成。中心区是由一个喷头控制的最大高度为15M的主水柱，由一台7.5kw的潜水泵和三菱FR-F740变频器控制。中心区外面一圈有8个跑泉，由一台4kw潜水泵和三菱FR-F740变频器控制。另外中心区和外层之间有红、黄、绿3种彩灯共17盏。

Y2Y1Y8Y7Y6Y0Y5Y3Y4图2.1 音乐喷泉平面示意图

本次音乐喷泉控制系统有两种工作方式：音乐控制方式和固定程序控制方式。

（1）音乐控制方式。当按下音控按钮后，延迟30s后音控程序启动，PLC输入输出模块开始采集音频信号并进行A/D转换作为PLC的输入信号，经PLC处理后控制变频器的运行，从而控制水泵的转速和彩灯的变换实现音控。

（2）固定程序控制方式。当按下程控按钮后，延迟30s后固定控制程序启动，首先主水柱运行，延时20s后外圈水柱运行，延时20s后主水柱

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停止，外圈水柱停止，延时20s后主水柱、外圈水柱同时运行。

根据系统结构音乐喷泉系统能否可靠、稳定的运行，取决于所采用的硬件设备和软件系统。为满足整个系统可靠、稳定运行的要求，音乐喷泉控制系统的设计应遵循以下原则[4]：

（1）系统硬件设备先进可靠，技术成熟，具有连接所需的不同参数信号的功能，与现场仪表及控制执行机构等设备的接口规范，系统结构简单。

（2）系统软件技术成熟、可靠，操作系统及开发平台版本新，功能先进、齐全，易于维护、调试。

（3）应用软件功能完善，实用性强，操作简单，系统运行稳定。 （4）整个系统技术先进，性能可靠，使用方便，能够实现对音乐喷泉系统的控制和管理。

2.2 音乐喷泉控制系统方案选择

本次音乐喷泉控制系统的设计方案主要有两种可供选择，方案一： 控制系统是由单片机、延迟放大电路、光电隔离电路及电磁阀和变频器组成, 该控制方案是通过对音乐信号的处理,将其转换成汇编程序存入单片机, 使单片机唱歌,而且在改程序之中还 加入其他控制语句。单片机还需喷泉中的电磁阀和变频器的动作及灯光的变化,其中电磁阀对喷头控制原理是：预先根据设计的花形种类和变化方式,通过对电磁阀的开闭进行组合,编制不同的控制字制成表存入单片机,当单片机执行程序时,通过查表的方式去取不同的花形,以达到预想的花形变化,这样花形的变化就随音乐的节奏而变化。同样,单片机对变频器的控制也与之类似,只不过控制的编制是根据音乐的频率进行编制的,而且查表的方式也有所不同,因而变频器根据所接受的信号,输出不同的频率值,以控制水泵的转速,进而达到控制喷泉管路中的流量,就可以控制水柱的高度和花形大小了。灯光和音响是由同一个口，经过延迟放大电路后,使它们达到同步动作,而灯光之前必须接一个固态继电器,以驱动灯具,并使之与单片机隔离[5]。方案二：控制系统是由可编

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程控制器(PLC)和变频器构成。音乐分两路输出,一路经功率放大器送到外部音响,另一路经可编程控制器(PLC)送至变频控制器,再经变频器控制水泵。由于变频控制器范围是 5～50Hz,所以变频器就可以改变水泵的流量,从而改变喷泉的喷水效果，充分发挥变频调速的特点,它既可送入音乐信号形成音乐喷泉,也可在内存程序的指挥下做各种规律的运动,例如；缓慢上升,急速落下；急速上升, 缓慢下降；在半空中跳跃等。该控制器有三路电子开关,可直接驱动固态继电器,继而控制负载设备运行。其扩展功能可以使变频调速器控制的水型更具活力,当喷泉高度随音乐信号或程控信号增大而逐渐升高的同时,投入运行的水下灯和水型越来越多,喷泉则表现得越来越多彩和热烈；当喷泉高度随音乐信号或程控信号减弱而逐渐降低的同时,投入运行的水下灯和水型越来越少。这样,喷泉在音乐或程序的控制下,各色水下灯闪烁、变幻,各种水型起伏呼应,将为音乐喷泉增加观赏性和艺术的美感[5]。

鉴于上述二个方案的分析比较,由于各具优缺点。方案一控制系统简单,软件程序编制灵活,花形和流量控制也很灵活,只要改变预置的花形表和速度控制表, 无须改变程序就可达到不同设计效果,而且在考虑经济因素时可以撤去电磁阀, 直接改变喷头下方的球阀来组合成不同的单一花形,音乐喷泉在运行时只在花形大小和高度上发生变化。而方案二与方案一比较起来, 优点在于放音效果好, 能实现真人真唱,一直能唱出乐曲，且控制系统可靠性比方案一要高，因而，通过对比分析，并考虑到音乐喷泉控制系统需要可靠、稳定的运行要求，所以本次设计采用方案二作为音乐喷泉的控制方案，采用三菱FX1N-40MR型号PLC作为喷泉的控制器。

2.3 本章小结

本章主要是对音乐喷泉控制系统作了整体概述。首先对音乐喷泉的整体结构进行了介绍。然后分析了音乐喷泉的控制要求和现有的控制方式。最后对现有的控制方式进行分析比较，选择了PLC作为控制核心的控制系统。

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