声控喷泉设计

声控喷泉设计 1 绪论…………………………………………………………………………………………1 1.1 我国喷泉技术发展概况......................................................................................................... 2 1.2 喷泉工程的新技术 ................................................................................................................. 2 1.2.1新式喷头的研制和新颖喷泉造型设计 ..................................................................... 2 1.2.2 新式照明技术在喷泉工程中的应用 ........................................................................ 3 1.2.3 新式计算机控制技术在喷泉工程中的应用 ............................................................ 3 1.2.4 其他技术在喷泉工程中的应用................................................................................. 3 1.3 本文课题的简介 ..................................................................................................................... 3 1.3.1 课题提出的背景.......................................................................................................... 3 1.3.2 课题提出的科学依据 ................................................................................................. 4 2 液压系统的动态过程及其研究内容和方法 ................................................................................... 5 2.1 液压系统的动态过程 ............................................................................................................. 5 2.2 液压系统的动态特性 ............................................................................................................. 6 2.3 液压系统的动态特性研究的方法 ........................................................................................ 7 2.3.1 传递函数分析法.......................................................................................................... 7 2.3.2数字仿真法 ................................................................................................................... 7 3声音基础知识及音频信号数字化 .................................................................................................... 7 3.1 声音的属性 ............................................................................................................................. 7 3.1.1音的基本性质 ............................................................................................................... 8 3.1.2声波基本物理量........................................................................................................... 8 3.2 音频信号数字化 ................................................................................................................... 10 3.2.1 数字信号处理的优点 ............................................................................................... 10 3.2.2 A/D转换，D/A转换过程 ......................................................................................... 10 4声控喷泉的总体设计 ....................................................................................................................... 10 4.1 声控喷泉的工作原理 ........................................................................................................... 10 4.2 ....................................................................................................................... 11 传统喷泉 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 4.2.1传统喷泉系统组成 .................................................................................................... 11 4.2.2 音乐喷泉系统的软件设计 ....................................................................................... 12 4.2.3 传统设计方案的优缺点 ........................................................................................... 13 4.3 本文提出的方案 ................................................................................................................... 13 4.3.1 喷泉系统的平面布置图设计 ................................................................................... 14 4.3.2 喷泉系统硬件设计 ................................................................................................... 14 4.3.3 喷泉系统软件设计 ................................................................................................... 16 4.3.4本文提出方案的优缺点 ............................................................................................ 16 5 结论与展望 ....................................................................................................................................... 17 致谢........................................................................................................................................................ 18 参考文献 ............................................................................................................................................... 18 附录1 .................................................................................................................................................... 19 附录2 .................................................................................................................................................... 20 1 1.1 水是无形的，喷泉能把无形的水，喷出千姿百态的造型来。喷泉的变化是无 穷的，只是人们的想象力是有限的。美妙的音乐让人陶醉，而音乐、灯光、喷泉 完美的结合，声、光、色俱美，是音乐喷泉的设计灵魂。这就要求音乐喷泉的设 计人员具备一定的艺术修养，还要具备灯光、音响、喷泉给水、喷泉机械制造的 知识，才能完成一个好的音乐喷泉的作品。 近年来，全国各地城市、小区广场喷泉如雨后春笋般建造起来。在音乐喷泉 繁华、热闹的背后，也存在片面最求时髦，相互抄袭，白城一面、千泉一式的情 况。特别是音乐喷泉设计不合理，增加了许多投资，大量淡水流失。在建设形势 的推动下，我国行政主管和技术监督部门、学术团体和出版界等，也为推动喷泉 技术的发展做出了不少工作：1989年出版的《给水排水设计手册》，第一次将 “水景设计”以专章列入设计手册；1989年出版、1990年开始施行的《建筑给水排水设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》，第一次将“喷泉设计”以专节列入国家设计规范；1990年 出版了第一本专门著作《喷泉设计》，1991年在中国土木工程学会建筑给水排 水委员会和中国 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化协会建筑给水排水委员会的大力推动下，成立了第一届 “全国喷泉研讨会”，有关喷泉的专门设计规程和术语标准等也公开发布执行。 人们更多的关注音乐喷泉表面繁华，而对于如何节省投资、节能、节水、则 是我们喷泉设计者（设计团体）义不容辞的责任。 1.2 1.2.1 查询古今中外的建筑史，园林史，其中有许多精美的喷泉成为城市或建筑的 象征，这些传世佳作保留至今，它们是美化城市的神来之笔，在美化城市、美化 环境中起到了画龙点睛的作用。陶冶和启迪着后人，为今天的喷泉发展奠定了基 础。为了适应新时代的需求，喷头和造型设计也在不断拓新，如：子弹喷泉、水 雷喷泉、悬挂水晶球、喷泉冰挂、大型水壁、字幕喷泉、趣味喷泉等。 2 1.2.2 对于彩色喷泉，照明是其重要的组成部分。照明设计的好坏，极大的影响水 景工程的观赏效果，照明工程造价也在整个工程造价中占有相当的比重，所以应 该引起设计者的重视。近年来照明专业技术发展很快，新型光源灯具不断开发应 用，为设计增添了不少的选择余地:可塑性霓虹灯、彩虹灯、频闪灯、远距离投 光灯水柱导光照明。 1.2.3 电子和控制技术近来发展很快，尤其是计算机的应用，为控制技术开拓了新 天地，使自动控制更加方便简单。 程序控制:利用可编程控制器控制喷泉的花型变化。 音乐控制:利用音乐的频率、振幅等控制喷水花型的变化。 1.2.4 喷泉用水泵:目前普遍采用工业泵或农业泵，这些水泵并不理想，我国现已 有厂家生产卧式潜水泵，但进展缓慢，性能仍不能完全满足喷泉工作要求。 比例电磁阀:它可以把液压系统系统的压力或流量（执行组件的输出力或速 度），以设定的控制讯号（通常为电流），按比例作连续的控制。一般电磁阀只 有通与不通的控制，无法做流速与流量的调节，此为比例式电磁阀最大的优点。 1.3 1.3.1 随着城市化进程的加速，花式喷泉可以在人们周围随处可见。比如广场，大 厦，小区等。花式喷泉是人造小气候，在炎热的夏日可以起到增湿和降温的作用； 能为水体充氧，有利于水体增加自净能力，起到防止水体黑臭的作用。除此之外， 它还能给人一种美的享受。 花式喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这与花式喷泉的控制 系统息息相关。花式喷泉可以根据自己的设计，设计出各种各样的花样，加上灯 光，能给人一种非常不错的视觉享受。 3 1969年美国DEC公司研制出世界上第一台可编程控制器，并成功用在GM公司的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为“可编程逻辑控制器”，简称 PLC（programmable logic controller）。 80年代，由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展，极大的推动了PLC的发展，使PLC的功能日益增强，成为一种电子计算机工业控制装臵，故称为可编 程控制器，简称PC，但由于容易与个人计算机相混淆，故人们习惯的用PLC作为可编程控制器的简称。 PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具 有一定的优势。PLC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新 型工业控制装臵，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD\CAM）的首位。它具有1、运行稳定可靠2、可实现三电一体化3、编程简单、使用方便4、体积小、重量轻、功耗低5、设计、施工、调试周期短等优点。 因此，进行花式喷泉的PLC控制系统的设计，可以推动喷泉行业的发展，解 决目前我国音乐喷泉现状。 1.3.2 长期以来，声控喷泉存在着诸多问题。 一是利用电磁阀开关大小控制水柱高度。由图1可知，音频信号经放大后去 控制电磁阀工作，使水经过喷头喷出。如果是普通的电磁阀，水柱高度变化难以 随声音大小线性变化。 声音信号 放大 控制装臵 电磁阀 喷头 管路 按钮信号 图1 电磁阀的控制过程 二是控制技术的应用。由图1知，可利用可编程控制器控制喷泉的花样，因 此该谈论一下选择何种可编程控制器，采用何种语言编程。 花式喷泉花样的选择，本课题主要设计3种喷水花样可供选择，使喷水花样 有所变化。 解决喷泉水柱高度随声音大小线性变化有2种方案：一是用算法算好普通电 磁阀与信号的关系，通过可编程控制器的编程来解决，使水柱随声音信号线性变 4 化。二是选择一款比例电磁阀，它的开度大小随信号线性变化。第一种方案实现 起来难度较大，需要花费很大的精力来编程；而第二种方案则能轻而易举实现水 柱高度随信号的线性变化。因此本文将选择一款比例电磁阀，选择液压系统的流 量，以设定的控制讯号（电流），按比例作连续的控制变化。 控制技术方面选择PLC控制喷泉。使用PLC控制花式喷泉，具有使用方便、运行可靠、控制程序设计简单等优点。PLC的输入、输出接口较多，便于多路多点控制，而且采用模块式结构，便于用户检修和更换模块。 在本设计中选用了松下PLC梯形图编程语言，梯形图能够直观明了的设计花 式喷泉控制的要求。 这样就提供了一种全新的声控喷泉控制途径，主要完成的任务如下： （1）为彻底解决水柱与声音信号的线性变化问题，本论文从理论上提出了一种 全新的设计方案，这种方案能很好的解决水柱随声音信号线性变化的问题。 （2）利用PLC控制喷泉花样，PLC的应用提高了喷泉的娱乐性、观赏性，并改 进了系统的稳定性与动态性能。 随着人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，喷泉已经出 现了多种多样的形式。喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑喷泉， 其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取，凝聚向上的感受。 商业广场、购物中心以及游泳景点的大型激光彩色音乐喷泉，其动感十足的“水 表演”，既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意的“水舞蹈”，有些喷泉配之以水幕电 影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。喷泉进入住宅小区，多与建筑小 品和雕塑相映、相伴，既有中、老年人们喜爱的幽静、典雅的风格，也有适于儿 童嬉水，趣味十足的形式。从喷泉在祖国各地不断的应用与推广来看，对喷泉的 研究具有很大的经济效益和社会效益。 2 2.1 液压系统的动态特性是其动态过程中的特性。液压系统的动态过程可以由许 多原因引起，总的来讲有下面两个方面： （1）由控制过程引起的：为了得到工作循环中的不同动作，某一或某些元件受 控改变其工作状态。例如工作元件的启动、制动，运动方向或运动速度的转换， 工作压力的转换，卸荷，不同执行机构动作的切换等。有时还将产生连续的动态 5 过程，例如数控加工的连续控制过程。 （2）由外界干扰引起的：例如外界被驱动负载的变化，机床加工中切削力的变 化，工作元件运动中的阻力（如摩擦力）的变化。 一般来讲，液压系统是机器的一部分。一台液压机械既有机械系统部分，也 有液压系统部分。整台机器的动态结构将由这两部分组成，如图2 f（t） v（t） 机械系统 液压系统 图2 液压机械的动态结构框图 加在整个系统上的外界负载f（t）需要液压系统输出的驱动力p（t）予以 克服，经过机械系统中各种因素的作用，可以使工作元件获得运动速度v（t）， 如果外界负载有一变化，即有一外界干扰，工作元件的运动速度v（t）即产生 变化，这是液压系统作为一个反馈环节，在其动态过程中，可以根据工作元件速 度的变化，调节其输出的驱动力p（t），以适应外界负载的变化。如果液压系 统是一个自动调节系统，就可以使工作与案件基本维持原来的运动速度，或是运 动速度的变化不大。 液压系统在产生动态过程以前，是在某一稳态状况下工作的，即系统中各参 量相互间的关系都处于静平衡状态。系统产生动态过程时，这种平衡状态即遭到 破坏。当动态过程结束时，系统又恢复平衡，但这是一种新的平衡状态。所以液 压系统的动态过程是系统失去原来的平衡状态到达到新的平衡状态的过程，在这 一过程中，系统中各参量都在随时间发生变化，这种变化过程性能的好坏，就是 系统动态特性的好坏。 2.2 （1）稳定性：液压系统经过动态过程之后，是否能快速达到新的平衡状态， 还是形成较持续的震荡，这就取决于系统的稳定性，如果系统的稳定性较好，其 在受到外界的干扰之后，在正常情况下，经过过渡过程，系统能迅速达到新的平 衡状态；相反，如果系统的稳定性能不好，则其在受到外界干扰之后，将会产生 持续的压力振荡，而不能达到新的平衡状态。 （2）过渡过程品质：他是指稳定的液压系统在过渡过程中个变量的变化品 6 质。过渡过程的品质包括变量的超调量和过渡过程时间等。 对于一般的液压系统，应根据对其动态特性的要求进行分析研究。如：工作 元件是否产生爬行、振荡，系统中是否产生液压冲击，早生是否过大。在较复杂 的系统中，还得注意各动作环节的转换是否迅速平稳，各部件的动作是否相互协 调，是否能保证所需的动态精度等。 2.3 目前，在液压系统动态研究中常用的方法有以下两种：传递函数分析法和数 字仿真法。 2.3.1 这是过去在液压系统动态研究中用的较多、基于古典控制理论的一种分析方 法。这种方法只要是用于分析系统的稳定性，可以根据稳定性判据分析系统是否 稳定。但是这种方法的使用限于线性系统，非线性系统则需视条件许可进行线性 化。液压系统一般都存在许多非线性因素，而且，其中有些在本质上就不具备显 性化的条件，如库伦摩擦就不能进行线性化。 2.3.2 计算机仿真（computer simulation）又称计算机模拟或计算机实验，所谓计算机仿真就是建立系统模型进而在电子计算机上对该仿真模型进行模拟实验 研究的过程。计算机仿真方法即以计算机仿真为手段，通过仿真模型模拟实际系 统的运动来认识其规律的一种研究方法。计算机仿真方法有时也称计算机仿技 术，这二者有时又简称计算机仿真。 3 3.1 音的产生是一种特定的物理现象。发音体受外力作用而发生振动，从而在空 气中产生一种声波。产生声波的物体为声源，声波所涉及的空间范围称为声场。 7 3.1.1 声音有四个方面的性质：高低（音高）、长短（音值）、强弱（音强）和音 色，这四个性质说明了一个音的全部特征。 （1）音的高低是由振动体的振动频率决定的，在单位时间（每秒）里振动的次 数越多，发出的声音就越高。计量音高的单位是“赫兹”，如果一个音是440赫兹，就意味着它的频率为每秒钟振动440次。人类的耳朵能够感受到的频率范围 大约是每秒16次至20000次，但音乐中使用的范围远没有这么宽，其最高音只 到4000赫兹左右，其中人声能够唱出的范围更窄，大约从60赫兹到1000赫兹。 （2）音的长短取决于振动的持续时间，强弱取决于振动的幅度。音的延续时间 越长，则音值越大；音的持续时间越短，则音值越小。 （3）音强取决于振幅的大小。振幅越大，则音越强；振幅越小，则音越弱。 （3）音色的区别产生于泛音成份和振动波形的不同，波形的发生原理又牵扯到 振动体的形状、材料及共鸣条件等等。 每一种音源皆有其独特的音色，这是波型不同造成的，当音源受到振动时会 推动空气，造成空气挤压产生声音。其所产生的第一个声音我们称为“基音”， 我们所认定的音高便是基音的频率所决定的，当基音产生后它会以其本身的频率 的倍数1/2,1/3,1/4,1/5……继续振动，我们称这些基音以外的声音为泛音 （overtone），谐音（harmonics）。当基音混合了不同音量比例的泛音后便会 产生不同的音色。由于每一种音源泛音振动的振幅不同，因此每一种发声体的音 色也一定不一样了。 3.1.2 声波在媒质中每秒传播的路程称为波的传播速度，简称声速。常用c符号表示。单位为米/秒 （m/s）。 声波在媒质中传播速度与媒质的密度、弹性及温度有关。如果媒质为空气， 则声速C与温度T的关系为式（3-1）： C=Co?(1+T/273) （3-1） 式中Co为温度0?时空气的声速，其值等于331.4m/s，经计算可得出在室温15?下，声波在空气中的传播速度等于340m/s。 声波在空气媒质中传播，会是空气中的气压形成疏密的变化。声源完成一次 振动，空气中的气压形成一次疏密变化所经历的时间称为一个周期，记作T，单位秒（S），周期的倒数，即F=1/T称为声源的频率。它表示1秒钟内声源振动 8 的次数或空气中气压疏密变化的次数，单位赫兹（Hz）。由于人耳的听觉特性， 对于大多数人，频率在20Hz-20KHz范围内都能听到。 声波振动一个周期，所传播的路程称为声波的波长，记作λ，单位米（m）。根据波的特性，声波的传播速度、频率及波长有如下的数量关系： C=fλ或λ=C/f （3-2） 声波在空气媒介中是以空气中的分子振动形成疏密而传播。它造成空气中的 气压发生大小变化，相当于在无声波下空气中的气压叠加一个变化的压强，叠加 上的压强称为声压，记作P。单位有帕斯卡（Pa）和微巴（μbar），两者之间的关系为： 1Pa=10μPa （3-3） 声源的振动时随时间变化的，因此空气中的任何一点的声压同样随时间在变 化。因此声压具有瞬时值。即式（3-4）： P=Pm cosωt （3-4） 式中Pm表示瞬时声压最大值（或振幅），也可用Pm/?2有效值表示。 声波是由能量来维持传播的。声强是声波的能流密度，声场中某点的声强为 单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积内的声波能量，记作L，单位为瓦/米?（W/M?）。 声强L可由式（3-5）表示，从该式中看出：声强与声压最大值的平方称正 比关系。除此之外，频率越高就越容易获得较大的声压和声强。 L=1/（2pcA?ω?）=P?m/（2pc） （3-5） 声功率表示声源的功率，它与声压的区别在于，前者为能量关系，而后者表 示压力关系。 声压、声强及声功率三个客观物理量是从不同侧面来表征声波造传播过程中 波的强弱。但在实际分析空间中某点声波的状态，常用声压或声强。这是基于人 是通过耳膜受声波的压迫把信息传到听觉系统引起声音存在的缘故。 在无线电技术中常用分贝（dB）来表征电压、电流、电功率或放大器的放大 能力。在声学中引用分贝（dB）是因为人的听觉神经的刺激程度不与刺激量大小 乘正比，而是按刺激量以10为底的对数来增长。另外，致使人耳产生听觉的能 量是一个极大的范围，这么大的范围使数值运算较难处理，采用分贝可将数值压 缩成一个更加实用的数值。 在声学中，一个物理量，级的定义是这个量与同类基准量的比的对数。其对 数为自然数，底为e，单位为奈贝；或对数的底为10，其单位是分贝。扬声器的 基准量为：0dBm=0.775v。这样就可以将分贝量简单的换算为电压值。设电压分 贝为x，则其电压可通过下面运算求得： 9 XdB=20lg U/0.775 （3-6） 采用分贝，有以下优点：能把很大或很小的数值简化；在计算上将乘除化为 简单的加减法。 3.2 3.2.1 数字信号只用电平的高、低表示二进制数中的“1”“0”两个数码，所以数字信号只有两个状态，与连续变化的模拟信号相比要简单的多，同时其处理和传 输也有明显的优势。 对于传输过程中的不可避免的干扰，数字信号易于修复，其抗干扰能力和非 线性失真是模拟信号无法比例的。 存储方便，适用于大容量光盘检索。 3.2.2 A/DD/A 模拟信号的数字化就是模拟信号经取样、量化、脉冲编码调制成数字信号。 D/AC包括3个部分，解码器、零阶保持器和平滑滤波器。 X（n） Xа(nt) X′а（t） Xа（t） 解码器 零阶保持器 平滑滤波器 图3 D/AC方框图 4 4.1 声控喷泉是一种用声音控制声控喷泉水型变化的之中自控装臵。它一般由以 下几个部分组成： （1）传感器装臵：将声音信号转化为电信号。 （2）放大装臵:将电信号进行放大。 （3）控制装臵：进行模数与数模转化等。 （4）执行机构：电磁阀等。 10 （5）动力设备：水泵等。 （6）其它设备：喷嘴、管道等。 音乐信号 放大电路 控制装臵 电磁阀 彩灯电路 管路 喷头 图4 控制过程流程图 声控喷泉的原理是将声音信号转变为电信号，经放大等一系列处理后，控制 电磁阀的开度来控制水柱的高度。对于某些水型，在艺术造型上要求与声音随动， 使喷泉表演出一些内涵和感情。这样，随着声音的变化，人们就可以看到喷泉的 形态的变化和感受到喷泉得变化所带来的想象空间。 总的来说，声控喷泉是一种智能产品，他主要有下述功能： （1）喷泉水型能变化，花型方案由用户设计编程来解决。 （2）当声音发生变化时，喷水高度也要随之变化，完成水、声、光交融的效 果。 4.2 4.2.1 在声控喷泉的传统设计中，为了满足一般喷泉的功能，通常设计的喷泉方案 如图5所示。 其中，常设灯光和变化灯光由继电器控制，常量水泵控制固定花样的喷头， 变量水泵用做声音信号的执行器件。电磁阀控制其他的一些变化功能。当喷泉工 作在静态时，计算机定时循环输出一组数字量，经光电隔离和驱动后控制电磁阀 和继电器，从而控制水底彩灯和常设喷头的通断，此时的控制主要是开关量的循 环输出。当喷泉工作于动态时，从声音设备前级输入到计算机的音频信号被分成 11 音乐设备 水下彩灯 喷头 常设及变化灯常量及变量水 计算机及接口 光 泵 电磁阀 图5 声控喷泉系统组成框图 两路，一路经检波处理后控制变量水泵的压力，实现水柱的上下运动；另一路经 处理后送音响设备的功效。 为实现声控喷泉系统的计算机控制，传统设计的计算机接口电路通常如图6所示。音频输入、输出信号和变压控制信号经过A/D、D/A数据板进出计算机。接口板提供10路单控制终端的数据采集通道。其性能达到0.03%的精度和12位的分辨率。此外，此板还带有5个12位分辨率的输出通道，可插入计算机扩展 槽，直接与PC总线交换数据。根据实际工程中的控制点数设计D/D通道，其中包括光电隔离器和保护电路。通常使用中断来处理数据采集和实时控制，一般情 况下选用的计算机为386工控机。 继电器 音响设备 光电隔离 A/D 计 算 机 电磁阀 驱动 A/D D/A 变量泵 常量泵 图6 计算机控制系统硬件组 4.2.2 传统方案中进行软件设计时，首先将设计好的彩灯与喷头的组合花样作为数 据文件存储起来，系统采用定时中断方法处理各项任务，中断服务程序框图如图 7所示。 在无音乐或音乐输入无效时，随机选出一种状态数据来完成灯光组合数据输 出。虽然它也能够自动完成多种喷头花样组合及彩灯的变换，但是他不是随音乐 节奏变化而变化，故令人有一种不协调的感觉。如果音乐信号有效，则进行实时 音频信号送变量泵输出，音频信号得延时t时刻后，才送功放，同时完成灯光组 合数据输出，从而解决了音乐与喷水不能同步的问题。 12 无效 音乐开关 任1状态数灯光组合数据输在缓存队列中取 据 出 t时刻以前的音 频信号 有 效 送功放 A/D采样音频数字信号处变量泵控制音频信号缓存 信号 理 量输出 图7 中断服务程序框图 4.2.3 传统设计方案优点有： （1）结果简单。 （2）控制系统简单。 （3）不进行预处理，对任何音乐统一处理。 （4）成本低，价格便宜。 传统设计方案缺点有： （1）音乐容易产生断续现象。 （2）花型变化难。 （3）控制精度不高。 4.3 声音信号是一个相当复杂的量，采用国际标准音量计量单位VU（volumeunit）信号对喷泉进行声控，能取得较为理想的效果。将声音信号经电路转换为VU信号，再经A/D转换为数字信号进入PLC处理，滤波、限幅等。然后输出控制信号 至D/A转换模块来控制喷泉。 V/U转换 A/D转换 D/A转换 PLC 音 源 水下彩灯 按钮信号 电磁阀 喷头 管路 图8 本方案喷泉设计流程图 13 4.3.1 根据喷水控制系统的工艺要求，工作特点，环境等条件，选择合理的设计方 案，喷水的平面布臵图见图9 图9为声控喷泉造型图：分4层，外2层、内1层、中心1层；外层有8个十字星的喷嘴与8个普通喷嘴；内层有4个十字星喷嘴；中心层的5个喷嘴分 中心 图9 喷泉池示意图 布于五角星的顶点上，由一比例电磁阀控制。 该花式喷泉有3种花样可供选择。按下启动按钮，喷泉即开始工作，按下停 止按钮，则停止喷水。喷泉的喷水花样由选择开关来实现。 第一种花样，中心层、内层、次外层、外层隔2秒依次喷水，一起喷水15秒后停下，再按外层、次外层、内层、中心层的次序隔2秒，再一起喷15秒后停下，如此循环。 第二种花样，外层与内层同时喷水，延时3秒后停喷，同时次外层与中心层 喷水，交替运行5次后，外层、次外层、内层、中心层一起喷水，30秒后停止，如此循环。 第三种花样，外层、次外层、内层、中心层按顺序延时2秒喷水，然后一起喷30秒，如此循环。 并且中心层喷水高度由比例电磁阀控制。 4.3.2 4.3.2.1 电液比例电磁阀 14 电液比例控制是介于普通液压阀的开关式控制和电液伺服控制之间的控制 方式。他能实现对液流压力和流量连续地、按比例地跟随控制信号而变化。因此， 它的控制性能优于开关式控制，它与电液伺服控制相比，其控制精度与控制速度 较低，但它的成本低，抗污染能力强。近年来在国内外得到重视，发展较快，电 液比例控制的核心元件是电液比例阀，简称比例阀。 电液比例阀由常用的人工调节或开关控制的液压阀加上电气—机械比例转 换装臵构成。常用的电气—机械比例转换装臵是具有一定性能要求的电磁铁，它 能把电信号按比例地转换成压力或位移，对液压阀进行控制。在使用过程中，电 液比例阀可以按输入的电气信号连续地、按比例地对油液的压力、流量和方向进 行远距离控制，比例阀一般都具有压力补偿性能，所以它的输出压力和流量可以 不受负载变化的影响，它被广泛地应用于对液压参数进行连续、远距离控制或程 序控制、但对控制精度和动态性能要求不太高的液压系统中。 根据用途与工作特点的不同，比例阀可以分为比例压力阀、比例流量阀和比 例方向阀等三类。其中，比例流量阀仅仅是用比例电磁铁来调节节流阀的开口。 意大利迪普马RS*和RS*-I 阀是一种用于管路安装的流量控制阀，它可直接 安装在管路中，或通过螺孔安装在集成块上。转动圆柱型阀内的圆柱型节流阀杆， 可调节流量并具有良好的线性度。在完全关闭状态下具有密封性能，因此可用作 为流量关断阀使用。本设计选用RS*阀。 4.3.2.2 彩灯布臵 灯光系统由3条支路组成，分别为绿色灯支路处于外层与次外层之间，黄色 灯支路处于外层与内层之间，红色灯支路处于内层与中心层之间。 4.3.2.3 水泵的选型 根据需要，本设计选择QDX40-4-0.75的潜水泵，产品属性表如下： 表1 产品属性表 流量 扬程 转速 配带功率 额定电压 额定电流 配管外径 15-25m?/h 4m 2860rpm 1.1kw 220v 1.4A 25mm 4.3.2.4 PLC的选型 在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和 估算是，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操 作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制 15 系统。 I/O点数估算是应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%-20%的余量。 FP0是超小型PLC，是近几年开发的新产品。虽进入中国市场较晚，但由于 其设计上有不少独特之处，一经推出，就备受用户关注。 它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模 块的连接，可以增加输入/输出点数。 因此，本设计的控制系统选择松下FP0-C16型PLC。 5种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD） 三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。根据自己所学，选择梯形图语言来编程。 声控喷泉设计的I/O分配表： 表2 输入 按钮 输入 说明 停止按钮 SB0 X0 花式1选择开关 SB1 X1 花式2选择开关 SB2 X2 花式3选择开关 SB3 X3 表3 输出 输出 说明 外层电磁阀 KM1 Y1 次外层电磁阀 KM2 Y2 内层电磁阀 KM3 Y3 中心层比例流量电磁阀 KM4 Y4 红色灯支路 KM5 Y5 黄色灯支路 KM6 Y6 绿色灯支路 KM7 Y7 声控喷泉设计的PLC的I/O接线图见附录1 声控喷泉设计的PLC梯形图见附录2 4.3.3 软件设计框图如图10： 4.3.4 优点有： 16 （1）速度快，精度高，寿命长。 （2）检修、扩展方便。 （3）可靠性高。 缺点有： （1）成本较高。 （2）有滞后现象。 外部接受信号 比例电磁阀 控制中心层喷嘴的电磁阀 控制装臵处理 中心层喷水高度控制 普通电磁阀 各层按照设计花 样喷水或停喷 彩灯控制 停止按钮 图10 软件实现框图 5 本设计以比例电磁阀和可编程控制器PLC为核心，利用了比例电磁阀与松下 FP0 PLC的控制功能，协调了声音、灯光、水柱的变化，实现了喷泉的控制，获 得了较好的效果，完成了课题的预期任务，可以得出以下结论： （1）系统的整体设计方案是合理可行的。它突破了传统的设计方案，实际证明 这种方案是有一定的优点。 （2）本文部分电磁阀采用了比例电磁阀，它能很好的实行水柱随声音的比例变 化。 （3）本文采用的PLC，对喷泉的花型进行控制，采用PLC来控制喷泉系统，有效地解决了计算机控制的不稳定性，提高了系统运行的可靠性，同时利用PLC的 定时功能，计数功能，可灵活地编写，增减和修改程序。而且，PLC还具有很强的自诊断功能，快速方便的检查判断出故障，缩短检修时间，同时也不需要很多 配套的外围设备和大量的复杂接线，因而大大缩短设计、施工和投产周期。 近年来，声控喷泉得到了广泛的应用。随着机械方面和控制技术方面的不断 不改进，声控喷泉也越来越精密。因此，采用比例电磁阀和PLC控制声控喷泉已成为一种趋势。从目前看来，虽然采用比例电磁阀和PLC代替传统设计方案控制声控喷泉有诸多优势，但要想很系统的控制声控喷泉却差一段很大的距离，很多 的理论与实际技术还需进一步改进，具体实施还需要做更多深入的工作。 17 在此论文工作即将完成之际，谨向关心、教育和指导我的导师表示崇高的敬 意和衷心的感谢。在整个毕业设计期间，导师以其渊博的学识、求实的工作作风 以及对待学术问题的态度给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。 在论文设计中，还得到了其他各位老师的热情支持和帮助，在此表示衷心的 感谢。 此外，我要感谢各位同学给予的帮助。 最后，特别感谢我的父母、兄弟对我大学生活上和学习上的理解与支持。 谨以此文献给所有关心我的老师、同学和亲友们！ [1] 张延灿，给水排水.喷泉工程发展及其设计问题 [2] 吕传林.音乐喷泉的视音同步性研究[D].大连：大连理工大学机械设计及理论系，2002 [3] 郭艳萍，李晓波，PLC在花式喷泉控制中的应用，漯河职业技术学院学报 [4] 喷泉在城市建设中的应用和发展，筑龙网 [5] 张桂香，电气控制与PLC应用，化学工业出版社 [6] 高西全，丁玉美，数字信号处理，西安电子科技大学出版社 [7] 左健民，液压与气压传动，机械工业出版社 [8] 郑玉虎，用单片机实现闸阀门的开度检测，中国论文下载中心 [9] 邓和莲，用单片机设计的音乐喷泉控制器，娄底职业技术学院 [10] 李瑞程，应柏青音乐喷泉控制系统的设计及PLC实现 18 1 图11 PLC的I/O接线图 19 2 花式喷泉的第一种花样：（当选择开关SB1时，喷泉运行第一种花样）中心 层、内层、次外层、外层隔2秒一次喷水，一起喷水15秒后停下，再按外层、次外层、内层、中心层的次序隔2秒一次喷水，再一起喷水15秒后停下，如此循环下去。当内层或中心层任意一层或2层喷水时，黄灯支路将亮起来；当次外 层喷水时，红灯支路亮；当所有层都喷水时，绿灯支路亮起来。 20 图12 梯形图 花式喷泉的第二种花样：（当选择开关SB2时，喷泉运行是第二种花样）外层、内层同时喷水3秒后停喷，次外层与中心层紧接着喷水3秒后中心层、内层、次外层、外层一起喷水30秒停止，如此循环下去。当内层或中心层任意一层或 2层喷水时，黄灯支路将亮起来；当次外层喷水时，红灯支路亮；当所有层都喷 水时，绿灯支路亮起来。 21 图13 梯形图 花式喷泉的第三种花样：（当选择开关SB3时，喷泉运行第三种花样）中心 层、内层、次外层、外层按顺序延时2秒喷水。然后一起喷水30秒，如此循环下去。当内层或中心层任意一层或2层喷水时，黄灯支路将亮起来；当次外层喷 水时，红灯支路亮；当所有层都喷水时，绿灯支路亮起来。 22 图14 梯形图 23